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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen zumindest eines Bauelements. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Mehrkanaldimmer mit einer solchen Anordnung
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Entwärmung und Kühlung sind entscheidend für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von elektronischen Komponenten bzw. Bauteilen. Elektronische Komponenten oder Bauteile sind üblicherweise auf Leiterplatten in Geräten verbaut. Im Betrieb entwickeln die elektronischen Komponenten oder Bauteile Wärme. Die erforderliche Wärmeabführung kann physikalisch durch Wärmeleitung, Konvektion oder durch Wärmestrahlung erfolgen. Die Wärmeabführung kann durch entsprechend angebrachte Kühlkörper erhöht werden. Die Wärmeabführung wird weiterhin durch entsprechend angebrachte Kupferlagen auf der Leiterplatte erhöht.
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Das US Patent
US7375287B2 offenbart eine Anordnung zur Aufnahme und Unterbringung der Leistungs- und Steuerelektronik eines Elektromotors umfasst eine erste Leiterplatte, die mit Steuerelektronik-Komponenten bestückt ist, eine zweite Leiterplatte, die mit Leistungselektronik-Komponenten bestückt ist und ein elektrisch isolierendes, jedoch die Wärme gut ableitendes Substrat aufweist, ein mit dem Substrat der zweiten Leiterplatte wärmeleitend in Kontakt stehendes Kühlelement und ein mit dem Kühlelement verbundenes Motorgehäuse.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE10247333A1 offenbart einen Mehrkanaldimmer, der eine Anzahl von Leistungs-stufen aufweist, wobei die Leistungsstufen mit einem gemeinsamen Kühlkörper thermisch gekoppelt sind, und wobei die Leistungsstufen für eine optionale lastseitige Parallelschaltung von mindestens zwei der Leistungs-stufen eingerichtet sind.
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Die bekannten Mechanismen zur Kühlung von elektronischen Komponenten oder Bauteilen sind aber aufwändig bzw. nicht für alle Anwendungsgebiete oder Anforderungen optimal.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zum Kühlen zumindest eines Bauelements bereitzustellen das leicht herzustellen ist und hohe Anforderungen erfüllt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zum Kühlen zumindest eines Bauelements, mit zumindest einem Bauelement, das schaltungstechnisch einer ersten Leiterplatte zugeordnet ist, und einer zweiten Leiterplatte, die benachbart zu der ersten Leiterplatte angeordnet ist, wobei die zweite Leiterplatte eine einseitig mit Kupfer kaschierte Leiterplatte ist, deren nicht kaschierte Seite der ersten Leiterplatte gegenüberliegt, wobei zur Kühlung des zumindest einen Bauelements dieses zumindest mittelbar mit der kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte thermisch verbunden ist, wobei die zweite Leiterplatte auf der mit Kupfer kaschierten Seite zumindest einen Kühlkörper aufweist, wobei das zumindest eine Bauelement direkt auf der mit Kupfer kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte und direkt an dem zumindest einen Kühlkörper angebracht ist. Die zweite Leiterplatte kann hierbei sowohl als alleiniger Kühlkörper verwendet werden, oder als Träger von einen oder mehreren handelsüblichen Kühlköpern.
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Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die zweite Leiterplatte beabstandet zur ersten Leiterplatte angeordnet ist, und wobei die zweite Leiterplatte der Bestückungsseite der ersten Leiterplatte gegenüberliegt. Die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte können z.B. im Wesentlichen parallel übereinanderliegend angebracht sein, z.B. in einem Abstand von 1 - 10 cm, insbesondere 1 - 3 cm.
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Die beiden Leiterplatten können somit leicht z.B. in einem Gehäuse eines Installationsbusteilnehmers (z.B. KNX-Bus) untergebracht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass es sich bei der zweiten Leiterplatte um eine einseitig mit Kupfer kaschierte Leiterplatte handelt, wobei die nicht kaschierte Seite der zweiten Leiterplatte der ersten Leiterplatte gegenüberliegt, und wobei zur Kühlung des zumindest einen Bauelements dieses zumindest mittelbar mit der kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte verbunden ist. Mit Vorteil handelt es sich um eine mindestens einseitig mit Kupfer kaschierte Leiterplatte. Dadurch kann insbesondere die erste Leiterplatte von der zweiten Leiterplatte thermisch isoliert werden. Es entsteht somit ein thermischer Schutz der Elektronik auf der ersten Leiterplatte. Die zweite Leiterplatte kann eine oder mehrere Kupferschichten bzw. kupferkaschierte Schichten aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die zweite Leiterplatte auf der mit Kupfer kaschierten Seite mindestens einen Kühlkörper aufweist. Dadurch wird die Entwärmung erhöht, da der Kühlkörper die Fläche zur Wärmeabgabe erhöht. Der Kühlkörper kann im Prinzip aus jedem wärmeleitenden Material sein. Beim Kühlkörper kann es sich auch z.B. um eine Alu- oder Kupferplatte handeln.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das zumindest eine Bauelement direkt auf der mit Kupfer kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte angebracht ist. Bei der Herstellung von Leiterplatten wird als Trägermaterial üblicherweise FR4 (schwerentflammbarer Werkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe) verwendet. Kupfer leitet Wärme ca. im Faktor 1000 besser als FR4. Wenn das zumindest eine Bauelement direkt auf der mit Kupfer kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte angebracht ist, wird somit die Wärmeableitung für das Bauelement erhöht. Das Bauelement wird dadurch schneller entwärmt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das zumindest eine Bauelement direkt am Kühlkörper angebracht ist. Auch durch die Anbringung des Bauelements direkt am Kühlkörper (z.B. durch entsprechende Klammern) wird das Bauelement schneller entwärmt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass das zumindest eine Bauelement direkt auf der mit Kupfer kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte und direkt am Kühlkörper angebracht ist. Dadurch wird das Bauelement noch schneller entwärmt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die zweite Leiterplatte Löcher und/oder Schlitze aufweist. Dadurch wird die Wärmeableitung erhöht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die mit Kupfer kaschierte Seite der zweiten Leiterplatte einen schwarzen Schutzüberzug aufweist. Dadurch wird die Wärmeabstrahlung der zweiten Leiterplatte erhöht (wenn die mit Kupfer kaschierte Seite eine schwarze Farbe aufweist, wirkt sie als „Schwarzer Körper“). Weiterhin stellt der schwarze Schutzüberzug einen Korrosionsschutz für das Kupfer bzw. die Kupferschicht dar.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die zweite Leiterplatte im Wesentlichen in einem rechten Winkel zur ersten Leiterplatte angeordnet ist. Die zweite Leiterplatte kann dadurch sehr einfach (z.B. durch eine Steckverbindung) mit der ersten Leiterplatte verbunden bzw. fixiert werden. Mit Vorteil weist die nicht kaschierte Seite der zweiten Leiterplatte im Wesentlichen in Richtung des zumindest einen zu kühlenden Bauelements.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Anordnung verwendet wird zur Kühlung von Leistungsstufen eines Mehrkanaldimmers. Mit Vorteil befinden sich die Leistungsstufen (z.B. MOSFET) des Mehrkanaldimmers thermisch auf der zweiten Leiterplatte und elektrisch auf der ersten Leiterplatte.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einem Mehrkanaldimmer mit mindestens zwei Kanälen, die durch eine Master-Steuereinrichtung parallel schaltbar sind, aufweisend eine der erfinderischen Anordnungen. Auch in dieser Ausgestaltung befinden sich mit Vorteil die Leistungsstufen (z.B. MOSFET) des Mehrkanaldimmers thermisch auf der zweiten Leiterplatte und elektrisch auf der ersten Leiterplatte.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einem Mehrkanaldimmer mit mindestens zwei Leistungsstufen, die durch eine Master-Steuereinrichtung parallel schaltbar sind, wobei die Master-Steuereinrichtung auf einer ersten Leiterplatte angeordnet ist, wobei die mindestens zwei Leistungsstufen auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet sind, wobei die zweite Leiterplatte benachbart zur ersten Leiterplatte angeordnet ist, und wobei sich die mindestens zwei Leistungsstufen thermisch auf der zweiten Leiterplatte befinden und elektrisch auf der ersten Leiterplatte. Bei Mehrkanaldimmern ist eine effektive Kühlung wichtig, denn ein Mehrkanaldimmer weist einen Master-Dimmer mit mehreren Leistungsstufen (Slave-Dimmer, Kanäle) auf, die ausgangsseitig für eine Leistungssteigerung parallelschaltbar sind. Bei diesen leistungsstarken Dimmern werden mehrere physikalische Kanäle (Slaves) parallel geschaltet und es entsteht ein leistungsstarker logischer Kanal.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung für einen Mehrkanaldimmer liegt darin, dass die zweite Leiterplatte beabstandet zur ersten Leiterplatte angeordnet ist, und wobei die zweite Leiterplatte der Bestückungsseite der ersten Leiterplatte gegenüberliegt. Mit Vorteil liegt die zweite Leiterplatte der ersten Leiterplatte im Wesentlichen parallel gegenüber, z.B. in einem Abstand von 1 - 10 cm, insbesondere 1 - 3 cm.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung für einen Mehrkanaldimmer liegt darin, dass es sich bei der zweiten Leiterplatte um eine einseitig mit Kupfer kaschierte Leiterplatte handelt, wobei die nicht kaschierte Seite der zweiten Leiterplatte der ersten Leiterplatte gegenüberliegt, und wobei zur Kühlung der mindestens zwei Leistungsstufen diese zumindest mittelbar mit der kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte verbunden sind. Dadurch wird die Kühlung bzw. die Entwärmung der mindestens zwei Leistungsstufen erhöht.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden am Beispiel der nachfolgenden Figur erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine beispielhafte Anordnung zum Kühlen zumindest eines Bauelements, mit einer ersten und einer zweiten Leiterplatte.
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Wenn an einem oder mehreren Punkten in einem Gerät die Kühlung von elektronischen Komponenten bzw. Bauelementen notwendig ist, dies aber an diesen Positionen mit handelsüblichen Kühlkörpern nicht möglich ist, kann dies durch Zuhilfenahme einer separaten Leiterplatte zur Kühlung der Komponenten bewerkstelligt werden. Die separate Leiterplatte kann hierbei sowohl als alleiniger Kühlkörper verwendet werden, oder als Träger von einen oder mehreren handelsüblichen Kühlköpern. Da die Herstellung einer separaten Leiterplatte ohne nennenswerte Werkzeugkosten erfolgen kann und die Stückkosten relative günstig sind, ist diese eine schnelle und flexible Methode eine verbesserte Kühlung von elektronischen Komponenten zu erreichen, insbesondere wenn örtlich nicht der entsprechende Freiraum für einen ausreichend großen handelsüblichen Kühlkörper vorhanden ist.
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Ein Aspekt der Erfindung liegt in der Verwendung einer separaten Leiterplatte als Kühlkörper für elektronische Komponenten, wobei auf dieser separaten Leiterplatte auch ein oder mehrere handelsübliche Kühlkörper platziert sein können, oder die Leiterplatte auch mehrere elektronische Komponenten miteinander verbinden kann um sie auch mit nur einen handelsüblichen Kühlkörper zu kühlen. Die Verbindung kann hierfür in unterschiedlichen Reihenfolgen erfolgen; z.B. Komponente an separate Leiterplatte und separate Leiterplatte an Kühlkörper; oder Komponente an Kühlkörper und Kühlkörper an separate Leiterplatte.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, dass das Kühlkonzept von den restlichen Komponenten getrennt wird. Durch den Kupferanteil der separaten Leiterplatte wird über eine entsprechende thermische Anbindung (z.B. Wärmeleitpad zwischen Kühlkörper und Leiterplatte) ein Teil der Wärmeenergie vom Kühlkörper an die separate Leiterplatte abgegeben und verteilt. Dies wirkt wie eine Erhöhung der Oberfläche des Kühlkörpers. Somit steht mehr Oberfläche zur Abgabe der Wärmemenge zur Verfügung und die absolute Temperatur des Kühlkörpers ist geringer. Die separate Leiterplatte hat an seiner Unterseite (die Seite die in Richtung zur Hauptleiterplatte zeigt) kein Kupfer, somit kann das Leiterplattenmaterial (z.B. FR4) auch noch zur thermischen Isolation zur Hauptleiterplatte dienen und dadurch die restlichen elektronischen Komponenten von den thermischen Einflüssen des Kühlkörpers schützen. Wenn noch Komponenten für eine thermische Schutzbeschaltung verbaut werden sollen, können diewiederum zielgerichtet auf der separaten Leiterplatte montiert werden. Dies hat wiederum den Vorteil, dass diese thermische Schutzbeschaltung separiert ist von den restlichen elektronischen Komponenten und diese somit von anderen (nicht vom Kühlkörper kommende) thermischen Einflüssen abgeschottet ist.
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Beispiel Dimmer:
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Entwicklung eines Dimmers der flexibler bezüglich seiner Einsetzbarkeit (z.B. Kanalzahl und Leistung) ist. Dies kann z. B. durch einen Mehrkanaldimmer, dessen Kanäle parallel schaltbar sind gegeben sein. Wenn die Ansteuerung mehrerer Kanäle mit geringerer Leistung gewünscht ist, kann jeder Kanal eigenständig betrieben werden. Wenn aber die Ansteuerung von hohen Leistungen gefordert ist, können die Kanäle an ihren Klemmen zur äußeren Verdrahtung parallel geschaltet werden und dadurch die Kanäle zu einem oder mehreren Kanälen mit höherer Leistung zusammen gefasst werden. Ein entscheidendes Kriterium hierfür ist das thermische Management (Kühlkörperkonzept) des Geräts, dies muss sowohl im unabhängigen Einzelkanalbetrieb als auch im parallelen Betrieb von mindestens zwei Kanälen funktionieren. Beim Kühlkonzept des Geräts ist nicht nur auf eine ausreichende Kühlung der betroffenen Komponenten zu achten, sondern auch die restlichen elektronischen Komponenten von thermischen Einflüssen zu schützen.
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1 zeigt eine beispielhafte Anordnung zum Kühlen zumindest eines Bauelements SE, LS1 - LS4, welches schaltungstechnisch einer ersten Leiterplatte LP1 zugeordnet ist, wobei eine zweite Leiterplatte LP2 benachbart zur ersten Leiterplatte LP1 angeordnet ist, wobei das zumindest eine Bauelement SE, LS1 - LS4 thermisch mit der zweiten Leiterplatte LP2 verbunden ist, und wobei zur Kühlung des zumindest einen Bauelements SE, LS1 - LS4 dieses zumindest mittelbar mit der zweiten Leiterplatte LP2 verbunden ist.
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In der Darstellung gemäss 1 ist die Steuerungselektronik SE eines elektrischen Bauteils auf der ersten Leiterplatte LP1 angebracht, die dazugehörigen Leistungsstufen LS1 - LS4 befinden sich auf der zweiten Leiterplatte LP2. In der Darstellung gemäss 1 sind die Leistungsstufen LS1 - LS4 beispielshafterweise jeweils an Kühlkörpern KK1 - KK4 mit jeweiligen beispielhaften Halteklammerpaaren HKP1 - HKP4 angebracht.
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Bei den zu kühlenden Bauteilen kann es sich um aktive (z.B. Schalttransistoren (z.B. FET, MOSFET), Dioden) oder um passive (z.B. Widerstände, Leistungswiderstände) Bauteile handeln. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass sich die Elektronik bzw. Schaltelektronik des Bauteils auf der ersten Leiterplatte LP1 befindet und die dazugehörigen Leistungsstufen LS1 - LS4 (z.B. Kanäle eines Mehrkanaldimmers) auf der zweiten Leiterplatte LP2.
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Die Leiterplatten LP1, LP2 können z.B. aus Hartpapier oder FR4 hergestellt sein. Die Leiterplatten können z.B. durch SMD-Technik bestückt werden. Die Verbindung (insbesindere eine thermische Verbindung) der Leiterplatten LP1, LP2 kann z.B. durch eine Steckverbindung erfolgen, aber auch Kabelverbindungen mit entsprechendem Material sind möglich, insbesondere zur thermischen Verbindung der auf der ersten Leiterplatte LP1 und der auf der zweiten Leiterplatte LP2 angebrachten Bauelemente.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Anordnung ist die zweite Leiterplatte LP2 beabstandet zur ersten Leiterplatte LP1 angeordnet, wobei die zweite Leiterplatte LP2 der Bestückungsseite der ersten Leiterplatte LP1 gegenüberliegt. Die erste Leiterplatte LP1 und die zweite Leiterplatte LP2 können z.B. im Wesentlichen parallel übereinanderliegend angebracht sein, z.B. in einem Abstand von 1 - 10 cm, insbesondere 1 - 3 cm. Die beiden Leiterplatten können somit leicht z.B. in einem Gehäuse eines Installationsbusteilnehmers (z.B. KNX-Bus) untergebracht werden.
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Mit Vorteil handelt es sich bei der zweiten Leiterplatte LP2 um eine einseitig mit Kupfer kaschierte Leiterplatte, wobei die nicht kaschierte Seite der zweiten Leiterplatte LP2 der ersten Leiterplatte LP1 gegenüberliegt, und wobei zur Kühlung des zumindest einen Bauelements SE, LS1 - LS4 dieses zumindest mittelbar mit der mit Kupfer kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte LP2 verbunden ist. Durch die Kaschierung mit Kupfer bzw. durch eine oder mehrere Kupferlagen wird die Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte erhöht. Kupfer leitet Wärme ca. 1000-fach besser als FR4. Durch die Verwendung von Kupfer im Leiterplatten-Layout kann man die Angriffsfläche für Kühlluft und thermischer Abstrahlung vergrössern und gleichzeitig die thermischen Spannungen in einer Leiterplatte reduzieren.
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Mit Vorteil weist die zweite Leiterplatte LP2 auf der mit Kupfer kaschierten Seite mindestens einen Kühlkörper KK1 - KK4 auf. Durch den Einsatz von Kühlkörpern KK1 - KK4 wird die Wärmeableitung weiter erhöht.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Anordnung ist das zumindest eine Bauelement LS1 - LS4 direkt auf der mit Kupfer kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte LP2 angebracht. Durch den direkten Kontakt des Bauelements LS1 - LS4 mit dem Kupfer wird die Entwärmung des Bauelements LS1 - LS4 verbessert (d.h. die Wärmeabfuhr erfolgt schneller und effektiver, da Kupfer eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist).
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemässen Anordnung ist das zumindest eine Bauelement LS1 - LS4 direkt am Kühlkörper angebracht ist. Auch dadurch wird die Wärmeableitung für ein Bauelement LS1 - LS4 weiter erhöht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung liegt darin, dass die Verteilung der thermischen Verlustleistung zwischen zweiter LP2 und erster Leiterplatte LP1 sich im Verhältnis von etwa 1 : 10, insbesondere 1 : 50, befindet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung liegt darin, dass die Anordnung verwendet wird zur Kühlung von Leistungsstufen eines Mehrkanaldimmers. In dieser Ausgestaltung befinden sich die (mit Vorteil parallel schaltbaren) Leistungsstufen LS1 - LS4 des Dimmers thermisch auf der zweiten Leiterplatte 2 und elektrisch auf der ersten Leiterplatte LP1.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einem Mehrkanaldimmer mit mindestens zwei Leistungsstufen LS1 - LS4 , die durch eine Master-Steuereinrichtung parallel schaltbar sind, wobei die Master-Steuereinrichtung auf einer ersten Leiterplatte LP1 angeordnet ist, wobei die mindestens zwei Leistungsstufen LS1 - LS4 auf einer zweiten Leiterplatte LP2 angeordnet sind, wobei die zweite Leiterplatte LP2 benachbart zur ersten Leiterplatte angeordnet ist, und wobei sich die mindestens zwei Leistungsstufen LS1 - LS4 thermisch auf der zweiten Leiterplatte LP2 befinden und elektrisch auf der ersten Leiterplatte LP1.
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Mit Vorteil ist beim Mehrkanaldimmer die zweite Leiterplatte LP2 beabstandet zur ersten Leiterplatte LP1 angeordnet ist, wobei die zweite Leiterplatte LP2 der Bestückungsseite der ersten Leiterplatte LP1 gegenüberliegt.
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Mit Vorteil handelt es sich beim Mehrkanaldimmer bei der zweiten Leiterplatte LP2 um eine einseitig mit Kupfer kaschierte Leiterplatte, wobei die nicht kaschierte Seite der zweiten Leiterplatte LP2 der ersten Leiterplatte LP1 gegenüberliegt, und wobei zur Kühlung der mindestens zwei Leistungsstufen LS1 - LS4 diese zumindest mittelbar mit der kaschierten Seite der zweiten Leiterplatte LP2 verbunden sind.
