DE102018112619A1

DE102018112619A1 - Hochspannungsschaltung

Info

Publication number: DE102018112619A1
Application number: DE102018112619.0A
Authority: DE
Inventors: Mario Rempfer; Zongluo Huang; Thomas Raißle; Olav Schnier
Original assignee: SCHNIER ELEKTROSTATIK GmbH
Current assignee: SCHNIER ELEKTROSTATIK GmbH
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Leiterplatten mit Hochspannungsschaltungen zu versehen und anschließend mit einer Vergussmasse zu vergie-ßen, so dass zwischen den Anschlüssen der Bauelemente, soweit dort eine Potenzialdifferenz auftritt, ein Überschlag durch die Luft verhindert ist, indem eine Vergussmasse verwendet wird, die eine höhere Durchschlagsfestigkeit besitzt als Luft. Dies wird jedoch problematisch, wenn die Hochspannungsschaltungen lediglich eine beschränkte Größe einnehmen dürfen. Hierfür bietet es sich an, auf oberflächenmontierte Bauelemente auszuweichen und so die Baugröße erheblich zu reduzieren. Allerdings dringt die Vergussmasse nicht unter die Bauelemente, so dass zwischen den Anschlüssen der Bauelemente ein Lufteinschluss verbleibt. Im Bereich dieses Lufteinschlusses kann es daher weiterhin zu Überschlägen kommen, welche die Funktion der Schaltung beeinträchtigen können.Die vorliegende Erfindung schlägt daher vor, unterhalb verwendeter oberflächenmontierter Kondensatoren eine Ausnehmung oder Einkerbung in der Leiterplatte vorzusehen, durch welche hindurch die Vergussmasse sich auch unter dem Bauelement verteilen kann, damit ein Überschlag auch an diesen unzugänglichen Stellen verhindert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochspannungsschaltung umfassend eine Mehrzahl auf einer Leiterplatte angeordneter Bauelemente, wobei die Leiterplatte mit den Bauelementen von einer Vergussmasse allseits eingeschlossen ist.
Es ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Hochspannungsschaltungen herzustellen und mit einem Harz zu vergießen. Bei besonders hohen Spannungen kann es an der Luft dazu kommen, dass die Durchschlagsspannung der Luft überschritten wird und es zu Überschlägen durch die Luft kommt. Da die Durchschlagsspannung materialspezifisch ist, bedient man sich in diesen Fällen einer Vergussmasse wie Epoxidharz, um die Schaltung zu vergießen. Hierbei wird die Leiterplatte in ein offenes Gefäß oder eine Vergussform eingelegt und dieses mit der Vergussmasse gefüllt, so dass die Luft zwischen den Bauelementen der Hochspannungsschaltung verdrängt wird. Wählt man eine Vergussmasse mit einer höheren Durchschlagsfestigkeit als Luft, so wird die Eignung der Schaltung für höhere Spannungen verbessert.
Alternativ kann auch unter Vakuum vergossen werden, was die Ausbreitung der Vergussmasse zwar begünstigt, aber nicht soweit erzwingt, dass ein Eindringen der Vergussmasse zwischen die Bauelemente gesichert wäre. Zumindest ist die Durchschlagsfestigkeit von Vakuum aber erheblich höher als die von Luft.
Neben der reinen Eignung für hohe Spannungen müssen Hochspannungsschaltungen jedoch auch anderen Kriterien genügen. So gibt es auch Größenanforderungen an die Hochspannungsschaltungen, denen sie für einen Einbau in anwendungsspezifische Geräte entsprechen müssen. Hochspannungsschaltungen werden beispielsweise im Bereich der Zerstäubung von Flüssigkeiten und der Herstellung von Aerosolen eingesetzt. Da hierfür eine Erzeugung der Hochspannung auch in Handgeräten stattfinden soll, ist eine Größenvorgabe naheliegend, um die Hochspannungsschaltung in dem Handgerät zu integrieren.
Um eine geringere Baugröße realisieren zu können, kann allgemein bei elektrischen Schaltungen bekanntermaßen auf oberflächenmontierte Bauelemente zurückgegriffen werden, die umgangssprachlich als SMD (für surface mounted devices, oberflächenmontierte Bauelemente) bezeichnet werden. Diese Bauelemente sind sehr kompakt und werden nach einer Bestückung, die bei dem bekannten Reflow-Verfahren durch Aufbringen einer adhäsiven Lötpaste mittels Schablonendruck und dem anschließenden Aufsetzen der Bauelemente erfolgt, mit der Leiterplatte verlötet, bei dem genannten Verfahren wiederum durch Wärmeapplikation, die für ein Schmelzen der Lötpaste sorgt. Dessen Oberflächenspannung sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des geschmolzenen Lots und eine korrekte Positionierung des Bauelements.
Bei den oberflächenmontierten Bauelementen sitzt das Bauelement mithin lediglich auf der Leiterplatte auf und durchgreift diese nicht. Daher sitzt ein solches Bauelement jedoch in aller Regel so dicht an der Oberfläche der Leiterplatte, dass der verbleibende Luftspalt zwischen dem oberflächenmontierten Bauelement und der Leiterplatte nicht groß genug ist, dass die Vergussmasse beim anschließenden Vergießen unter das Bauelement dringen und den Luftspalt zwischen den Anschlüssen des Bauelements füllen kann. Es kommt daher zu Lufteinschlüssen in der Vergussmasse, in denen ein Durchschlag auftreten kann.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Hochspannungsschaltung vorzuschlagen, die sowohl eine hohe Durchschlagsspannung als auch eine möglichst kompakte Bauform ermöglicht.
Dies gelingt durch eine Hochspannungsschaltung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen einer solchen Hochspannungsschaltung können den sich anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Hochspannungsschaltung herkömmlich auf einer Leiterplatte aufgebaut ist und mit einer Vergussmasse rundum vergossen wird. Auf diese Weise kann die Durchschlagsfestigkeit der Schaltung deutlich verbessert werden. Damit aber eine ausreichend geringe Bauform erreicht werden kann, sieht die Erfindung vor, oberflächenmontierte Bauelemente zu verwenden. Damit die Vergussmasse die Anschlüsse der oberflächenmontierten Bauelemente sicher vor Durchschlägen schützen kann, sieht die Erfindung jedoch auch vor, dass unter jedem im Zusammenhang mit der Hochspannungsschaltung stehenden oberflächenmontierten Bauelement eine die Leiterplatte durchgreifende Ausnehmung gebildet ist, hergestellt vorzugsweise aber nicht ausschließlich durch Bohren, Fräsen, Sägen oder Schneiden, durch welche hindurch die Vergussmasse auch unter das oberflächenmontierte Bauelement dringen kann und damit auch zwischen den Anschlüssen des Bauelement an seiner der Leiterplatte zugewandten Seite für eine erhöhte Durchschlagsspannung sorgt. Hierfür ist es erforderlich, dass die Breite der Ausnehmung so gewählt wird, dass die Oberflächenspannung der Vergussmasse in ihrem Verarbeitungszustand ein Durchdringen der Ausnehmung zulässt.
Auf diese Weise kann die Vergussmasse zwischen die Anschlüsse dringen und den Raum um das Bauelement vollständig ausfüllen. Die Durchschlagsfestigkeit der Anordnung wird dadurch rundum verbessert und ein Lufteinschluss verhindert, so dass eine erhöhte Spannung zwischen den Anschlüssen eines oberflächenmontierten Bauelements realisiert werden kann. Diese Lösung erlaubt es daher, in größerem Stil oberflächenmontierte Bauelemente in Hochspannungsschaltungen einzusetzen, da nur durch die Erfindung die benötigte Durchschlagsspannung erreicht werden kann.
Ferner erlaubt die Lösung ein leichtes Zu- und Abfließen von Reinigungsmitteln und einen erleichterten Austrag von Schmutzfrachten über die Ausnehmungen, so dass insbesondere Lötrückstände, die sowohl die Benetzung der Bauelemente mit der Vergussmasse stören als auch ihrerseits leitfähig sein können, leichter und vollständiger entfernt werden können.
In konkreter Ausgestaltung der Erfindung können sich unter den Bauelementen oberflächenmontierte Kondensatoren und/oder oberflächenmontierte Dioden befinden, zwischen deren Anschlüssen sich im Zusammenhang mit Hochspannungsschaltungen große Potenzialdifferenzen aufbauen können. Jedoch gilt dies analog auch für beliebige andere Bauelemente in Hochspannungsschaltungen seien es Widerstände, Transistoren, Integrierte Schaltungen und dergleichen mehr.
Die Ausnehmungen, die im Vorfeld an dem Montageort der oberflächenmontierten Bauelemente in die Leiterplatte eingebracht werden, können mit einigem Vorteil als Einkerbungen gebildet sein, die von einem Rand der Leiterplatte ausgehend bis unter das Bauteil gezogen werden können. Hierdurch kann die Vergussmasse entlang der Einkerbung bis unter das Bauelement herangeführt werden und leichter den ganzen Bereich unter dem oberflächenmontierten Bauelement ausfüllen. Es sind jedoch auch in sich geschlossene Ausnehmungen von der Erfindung ausdrücklich mit abgedeckt, welche in beliebigen geeigneten Formen unter einem oder mehreren Bauelementen hindurch verlaufen.
Soweit bedrahtete Bauelemente, insbesondere bedrahtete Dioden, eingesetzt werden, können diese einzeln oder zu mehreren in einer Bauteilausnehmung der Leiterplatte aufgenommen sein. Eine solche Bauteilausnehmung kann insbesondere in der vollen Breite der Bauelemente ausgebildet sein, um diese ganz aufzunehmen, während die Anschlussdrähte dieser bedrahteten Bauelemente über die Bauteilausnehmung hinausragen und mit der Leiterplatte verlötet sind. Bedarfsweise begrenzt die Bauteilausnehmung oder ein Abschnitt derselben das Bauelement so, dass es bei der Bestückung von den Rändern der Bauteilausnehmung gehalten ist und so leicht verlötet werden kann.
Bedarfsweise kann jedoch eine in die Bauteilausnehmung mündende, flache oder durchgehende Kerbe vorgesehen sein, in welche der Anschlussdraht eingelegt ist, um diesen beim Bestücken an Ort und Stelle zu halten. Soweit es sich bei der Kerbe um eine flache Kerbe handelt, kann der Anschlussdraht darin eingelegt werden und selbst bei einem Anheben der Leiterplatte mit dem losen Bauelement geht dieses nicht verloren.
Soweit es bei dem Aufbau der Hochspannungsschaltung als Kriterium auf die Breite des Aufbaus ankommt, kann es sinnvoll sein, die Bauelemente in der Bauteilausnehmung schräg zu stellen, so dass die Breite reduziert werden kann, allerdings auf Kosten der Länge der Leiterplatte. Jedoch kann auf diese Weise eine deutliche Reduktion der Breite erreicht werden, besonders wenn der Anschlussdraht auf herkömmliche Weise verlötet und ein ausreichender Biegeradius des Anschlussdrahts berücksichtigt werden soll. Ein bevorzugter Winkel gegenüber der Querachse der Bauteilausnehmung beträgt 30°.
Bei der Verwendung einer geeigneten Vergussmasse besteht weitgehend Freiheit, in Abhängigkeit von den gewünschten Durchschlagspannungen die erreicht werden sollen. Zudem muss darauf geachtet werden, dass die Oberflächenspannung der Vergussmasse in ihrem Verarbeitungszustand ausreichend gering ist, um in die Ausnehmungen oder Einkerbungen einzulaufen, mithin muss die Breite der Ausnehmungen oder Einkerbungen hierfür weit genug gewählt sein. Bevorzugt wird als Vergussmasse Polyurethanharz, Silikon, Epoxidharz, allgemein ein Einkomponentenharz oder ein Mehrkomponentenharz, oder ein Heißkleber (Hot Melt) eingesetzt.
Mit besonderem Vorteil kann die vorstehend beschriebene Erfindung bei einer Hochspannungsschaltung in Form einer Hochspannungskaskadenschaltung eingesetzt werden, welche einen Oszillator zur Generierung eines Wechselstroms, einen Transformator und die eigentliche Hochspannungskaskade bestehend aus Kondensatoren einer Schubsäule, Kondensatoren einer Glättungssäule und dazwischen hin und herlaufenden Dioden umfasst.
Mithilfe einer solchen Hochspannungskaskade kann eine Hochspannung erzeugt werden, wie sie beispielsweise für Lackieranwendungen, bei der Pulverbeschichtung oder auch bei der Beflockung benötigt wird. Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Aufbau der Hochspannungskaskade diese so raumsparend aufgebaut werden, dass selbst den strengsten Größenanforderungen genügt werden kann.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen

1 einen oberflächenmontierten Kondensator, in Vergussmasse eingebettet, gemäß dem vorbekannten Stand der Technik, in einer seitlichen Querschnittsdarstellung,
2 den oberflächenmontierten Kondensator gemäß 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, in einer seitlichen Querschnittsdarstellung, sowie
3 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäß aufgebauten Hochspannungskaskade mit oberflächenmontierten Kondensatoren und gedrahteten Dioden vor Verguss mit einer Vergussmasse in einer Draufsicht.

1 zeigt eine Leiterplatte 1 gemäß dem Stand der Technik, auf der ein Paar Anschlüsse 2 für einen Kondensator 3 angeordnet sind. Ferner ist auf den Anschlüssen 2 ein oberflächenmontierter Kondensator 3 aufgelegt, der mithilfe von beidseitig angeordneten Lötstellen 4 mit den Anschlüssen und darüber mit der Leiterplatte 1 verbunden ist. Die auf diese herkömmliche Art und Weise hergestellte Schaltung ist nach der Bestückung der Leiterplatte und dem Verlöten der darauf befindlichen Bauelemente mithilfe einer hier schraffiert dargestellten Vergussmasse 5 vergossen worden, so dass zum Einen eine größere Stabilität der Bauelemente auf der Leiterplatte erreicht wird, und zum Anderen eine erhöhte Durchschlagsspannung zwischen den Anschlüssen der Bauelemente durch die Vergussmasse hindurch herrscht. Allerdings verbleibt aufgrund der Oberflächenspannung der Vergussmasse 5 in ihrem Verarbeitungszustand, also vor dem Erhärten, ein Lufteinschluss 13 zwischen dem Kondensator 3 und der Leiterplatte 1, in welchen die Vergussmasse 5 nicht eindringen und die Luft daraus verdrängen kann.
In vielen Fällen, insbesondere wenn die Vergussmasse lediglich zur mechanischen Befestigung dient, ist dies vollkommen ausreichend. Wird jedoch eine Potenzialdifferenz an die Anschlüsse 2 angelegt, welche oberhalb der Durchschlagsspannung für den Luftweg zwischen den beiden Anschlüssen 2 liegt, so wird in dem Lufteinschluss 13 ein Überschlag stattfinden, mit der Folge, dass die Funktion der Schaltung an dieser Stelle beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund wurden im Stand der Technik auf diese Art und Weise keine Hochspannungsschaltungen aufgebaut, sondern lediglich Schaltungen mit Spannungen unterhalb der Durchschlagsspannung von Luft. Hochspannungsschaltungen hingegen wurden mit bedrahteten Bauelementen realisiert, die vollständig mit der Vergussmasse umgossen werden konnten.
Um aber gleichzeitig zu den Spannungsanforderungen auch Größenanforderungen zu genügen, wird die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Lösung gewählt. 2 zeigt eine Leiterplatte 1 mit einer Ausnehmung 6, welche beispielsweise als Einkerbung 7 ausgeführt sein kann. Durch diese Ausnehmung 6 hindurch kann die auch hier schraffiert dargestellte Vergussmasse 5 bis an die Unterseite des Kondensators 3, oder allgemein bis an die Unterseite eines oberflächenmontierten Bauelements, herangeführt werden und den Raum zwischen den Anschlüssen 2 des Kondensators vollständig ausfüllen, mithin die Durchschlagsspannung so weit erhöhen, dass ein Überschlag in dem Bereich zwischen den Anschlüssen 2 des Kondensators 3 im normalen Betriebszustand verhindert ist.
Im Einzelnen kann eine Leiterplatte mit einer Hochspannungsschaltung so aufgebaut sein, wie in 3 gezeigt. Dort ist eine Hochspannungskaskade realisiert, welche aus einer Schubsäule 11 und einer Glättungssäule 12 besteht, die jeweils beiderseits einer Bauteilausnehmung 9 aus einer Mehrzahl von oberflächenmontierten Kondensatoren 3 hergestellt sind. Hierbei sind die benachbart angeordneten Kondensatoren 3 im Zickzack zueinander angeordnet, wodurch jeder effektive Kondensator aus zwei tatsächlichen Kondensatoren 3 besteht, so dass zur Kostenersparnis auf günstigere, kleinere Kondensatoren 3 zurückgegriffen werden kann. Jeder der Kondensatoren 3 ist von einer Einkerbung 7 untergriffen, die vom benachbarten seitlichen Rand der der Übersicht halber schraffiert gezeichneten Leiterplatte 1 her bis unter die Kondensatoren 3 geführt sind. Durch diese Einkerbung hindurch kann nunmehr die Vergussmasse in einem späteren Schritt um die Leiterplatte 1 fließen und die Anschlüsse der Kondensatoren 3 vollständig einschließen. Auch zwischen die benachbarten Anschlussdrähte 10, soweit diese nicht durch Verbindung gleiches Potenzial besitzen, sind jeweils Einkerbungen 7 eingebracht, ausgehend von einer Bauteilausnehmung 9 in der Mitte der Leiterplatte 1. In dieser Bauteilausnehmung 9 ist eine Reihe bedrahteter Dioden 8 eingelegt, die eine Verbindung zwischen der Schubsäule 11 und der Glättungssäule 12 hin und her verlaufend angeordnet sind. Hierdurch können die Dioden 8 ebenfalls vollständig von der hier noch fehlenden Vergussmasse 5 eingeschlossen werden und es wird eine Hochspannungsschaltung erreicht, bei der sämtliche Anschlüsse vor einem Lufteinschluss 13 und einem damit verbundenen Durchschlag gesichert sind.
Vorstehend beschrieben ist somit eine Hochspannungsschaltung, die sowohl eine hohe Durchschlagsspannung als auch eine möglichst kompakte Bauform ermöglicht. Dies gelingt durch die Anordnung von Ausnehmungen oder Einkerbungen unterhalb von den oberflächenmontierten Bauelementen, die an der Hochspannungsschaltung teilnehmen, so dass eine Vergussmasse bis unter diese oberflächenmontierten Bauelemente eindringen, Lufteinschlüsse verhindern und Überschläge unterbinden kann.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte
2: Anschluss
3: Kondensator
4: Lötstelle
5: Vergussmasse
6: Ausnehmung
7: Einkerbung
8: bedrahtete Diode
9: Bauteilausnehmung
10: Anschlussdraht
11: Schubsäule
12: Glättungssäule
13: Lufteinschluss

Claims

Hochspannungsschaltung umfassend eine Mehrzahl auf einer Leiterplatte (1) angeordneter Bauelemente, wobei die Leiterplatte (1) mit den Bauelementen von einer Vergussmasse (5) allseits eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Leiterplatte (5) angeordneten Bauelemente oberflächenmontierte Bauelemente umfassen und die Leiterplatte (1) unterhalb eines jeden oberflächenmontierten Bauelements, das der Hochspannungsschaltung angehört, zwischen seinen Anschlüssen (2) eine die Leiterplatte (1) durchgreifende Ausnehmung (6) zur Aufnahme von Vergussmasse (5) aufweist.
Hochspannungsschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente oberflächenmontierte Dioden und/oder oberflächenmontierte Kondensatoren (3) umfassen.
Hochspannungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (6) bis zum Rand der Leiterplatte (1) gezogen sind und hierdurch seitliche Einkerbungen (7) bilden.
Hochspannungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente bedrahtete Bauelemente (8) umfassen, deren Körper einzeln oder zu mehreren in einer Bauteilausnehmung (9) oder einem Abschnitt einer Bauteilausnehmung (9) aufgenommen sind.
Hochspannungsschaltung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilausnehmung (9) eine Kerbe zur Aufnahme eines Anschlussdrahts (10) des bedrahteten Bauteils (8) zugeordnet ist.
Hochspannungsschaltung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe die Leiterplatte (1) nur teilweise durchgreift.
Hochspannungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bedrahteten Bauelemente (8) in ihrer Bauteilausnehmung (9) gegenüber einer Längsachse der Diodenausnehmung (9) schräggestellt sind.
Hochspannungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (5) Polyurethanharz, Silikon, Epoxidharz, Mehrkomponentenharz oder Heißkleber ist.
Hochspannungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hochspannungskaskade, umfassend einen Oszillator, einen Transformator, sowie eine aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Kondensatoren (3) gebildete Schubsäule (11) und eine aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Kondensatoren (3) gebildete Glättungssäule (12) ausgebildet ist, wobei zwischen der Schubsäule (11) und der Glättungssäule (12) eine Mehrzahl von Dioden hin und her verlaufen.