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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktierung für ein Photovoltaikmodul und ein Verfahren zum Ausbilden einer Kontaktierung eines Photovoltaikmoduls und insbesondere auf ein verbessertes Lötkonzept zum elektrischen Anschließen von Metallisierungen oder Querverbindern in Anschlussdosen (sogenannte Junction Boxes) von Photovoltaikmodulen.
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HINTERGRUND
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Photovoltaikmodule umfassen eine Vielzahl von Solarzellen, die über Stromsammler (auch Querverbinder genannt) mit einer Anschlussdose elektrisch verbunden sind. Dazu sind in der Anschlussbox Metallisierungen oder Kontaktierungsflächen vorgesehen, die über Lötverbindungen die Stromsammler kontaktieren.
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5 zeigt beispielhaft eine konventionelle Verbindung von Metallisierungen 410 mit den Stromsammlern 420, wobei oben eine Draufsicht auf das Photovoltaikmodul (nicht dargestellt) mit einer Anschlussdose 400 zu sehen ist. Darunter ist eine Querschnittsansicht dargestellt. Die Metallisierungen 410 weisen Öffnungen 412 auf, durch die die Stromsammler 420 hindurchgeführt werden und auf einer den Solarzellen gegenüberliegenden Seite der Metallisierung 410 über eine Lötverbindung 430 elektrisch mit der Metallisierung 410 verbunden werden.
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Die Stromsammler 420 werden dabei in die Anschlussdose 400 geführt und um zumindest 90° oder 1800 geknickt, um flächig auf der Metallisierung 410 aufzuliegen. Im Anschluss kann eine Kontaktlötung oder eine kontaktlose Lötung erfolgen, um die Stromsammler 420 mit der Metallisierung 410 zu verlöten (z.B. auf einer vorverzinnten Fläche). Dabei wird meist noch zusätzlich Lötzinn auf die zu lötenden Bauteile extern zugeführt. Die Lötstelle 430 bildet sich zwischen der Metallisierung 410 und den Stromsammlern 420 aus (siehe Querschnittsansicht unten) und ist optisch schwer kontrollierbar.
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Diese elektrische Verbindung hat den Nachteil, dass sie unzuverlässig ist, insbesondere weil eine optische Überprüfung schwer möglich ist. Außerdem üben Rückstellkräfte eine permanente Kraft auf die Lötverbindung 430 aus, wodurch die Zuverlässigkeit weiter beeinträchtigt wird. Daher haben konventionelle Anschlussdosen erhöhte Reklamationsraten. Um die Zuverlässigkeit sicherzustellen erfolgt häufig eine Verbindung über ein Schweißen, ein Klemmen, eine Schraubverbindung oder eine Nietverbindung, die mehr Zuverlässigkeit bietet, jedoch einen erheblich höheren Aufwand bedeutet, da eine Automatisierung kaum möglich ist.
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Bei den konventionellen Kontaktierungen kann zwar festgestellt werden, ob überhaupt ein elektrischer Kontakt besteht, allerdings bleibt es häufig unklar, wie groß die Kontaktfläche/Lötstelle wirklich ausgebildet ist. Um beispielsweise die oben genannten Risiken zu minimieren, sollte idealerweise die Lötstelle die gesamte, auf die Metallisierung gedrückte/geknickte Fläche des Stromsammlers 420 umfassen. Die Lötfläche wird daher typischerweise sehr großflächig ausgebildet (z.B. auf einer Fläche von ~ 6 × 6 mm2). Oft wird dies bei der konventionellen Kontaktierung jedoch nicht erreicht, da der Kontaktlötprozesses nicht richtig kontrollierbar ist. Als Folge entstehen sehr kleine Lötstellen. Diese liefern allerdings nach wie vor ein Elektrolumineszenz-Bild, das eine vermeintlich gute Lötung suggeriert, die aber im Einsatz unter thermomechanischer Belastung relativ schnell zum Ausfall dieser Lötverbindung führt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine alternative Kontaktierung der Stromsammler mit den Kontaktierungsflächen in der Anschlussdose zu schaffen, die die Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung verbessert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Diese oben genannte Aufgabe wird durch die Kontaktierung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kontaktierung für ein Photovoltaikmodul mit folgenden Merkmalen:
- - eine Anschlussdose, die auf dem Photovoltaikmodul angebracht ist und eine Kontaktierungsfläche aufweist, wobei die Kontaktierungsfläche eine Öffnung mit einem Grat aufweist und ausgebildet ist, um mit einer externen Zuleitung für das Photovoltaikmodul verbunden zu werden;
- - einen Stromsammler, der einen elektrischen Strom von zumindest einer Solarzelle in dem Photovoltaikmodul der Anschlussdose zuführt; und
- - eine Lötverbindung zwischen dem Stromsammler und der Kontaktierungsfläche.
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Der Stromsammler erstreckt sich durch die Öffnung und der Grat zeigt von der zumindest einen Solarzelle weg und wird zumindest teilweise von der Lötverbindung aufgenommen. Die Kontaktierungsfläche stellt beispielsweise eine Metallisierung dar. Außerdem kann die Lötverbindung ganz oder teilweise die Öffnung bedecken oder diese überbrücken, d.h. der Grat auf gegenüberliegenden Seiten der Öffnung kann durch die Lötverbindung direkt kontaktiert werden.
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Optional ist der Grat ein Stanzgrat und die Öffnung eine gestanzte Öffnung, wobei die Öffnungsbreite an die Geometrie des Stromsammlers angepasst sein kann. Optional weist die Öffnung eine Breite auf (z.B. kleiner als 1 mm), die derart gewählt ist, dass der Stromsammler durch ein Umbiegen oder ein Verkanten am Grat zumindest teilweise mechanisch gehalten wird.
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Optional erstreckt sich der Stromsammler an einem Ende nahezu senkrecht von den Solarzellen weg und taucht in die Lötverbindung zumindest teilweise ein. Das Ende kann sich auch vollständig durch die Lötverbindung hindurch erstrecken und auf einer gegenüberliegende Seite zumindest teilweise herausragen.
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Optional, umfasst die Kontaktierung einen weiteren Stromsammler und die Anschlussdose umfasst eine weitere Kontaktierungsfläche und eine weitere Öffnung, wobei der weitere Stromsammler sich durch die weitere Öffnung erstreckt und die weitere Kontaktierungsfläche elektrisch kontaktiert. Die Kontaktierungsfläche und die weitere Kontaktierungsfläche können über ein Bypass-Element (z.B. eine Diode) elektrisch verbunden sein.
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Optional umfasst der Stromsammler eine Abknickung am Grat, wobei die Abknickung einen Haken bildet, der ein Herausführen des Stromsammlers aus der Öffnung zumindest erschwert. Durch das Einhaken kann auch die elektrische Verbindung verbessert werden, da der Stromsammler in direktem Kontakt mit der Kontaktierungsfläche steht.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Photovoltaikmodul mit einer zuvor beschriebenen Kontaktierung.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Ausbildung einer Kontaktierung für ein Photovoltaikmodul mit folgenden Schritten:
- - Anordnen eines Stromsammlers, um einen elektrischen Strom von zumindest einer Solarzelle in dem Photovoltaikmodul abzuleiten;
- - Anordnen einer Anschlussdose auf dem Photovoltaikmodul, wobei die Anschlussdose eine Kontaktierungsfläche mit einer Öffnung und einem Grat aufweist und ausgebildet ist, um mit einer externen Zuleitung für das Photovoltaikmodul verbunden zu werden;
- - Hindurchführen des Stromsammlers durch die Öffnung; und
- - Verlöten des Stromsammlers mit der Kontaktierungsfläche, sodass ein Ende des Stromsammlers und der Grat zumindest teilweise von der Lötverbindung umschlossen wird.
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Optional umfasst das Verfahren weiter ein Abknicken des Stromsammlers nach dem Hindurchführen des Stromsammlers durch die Öffnung. Das Abknicken kann an dem Grat erfolgen, um ein Einhaken des Stromsammlers an dem Grat zu erreichen.
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Die Kontaktierung gemäß Ausführungsbeispiele löst zumindest einen Teil der eingangs erwähnten Probleme durch ein vorbestimmtes Ausbilden eines Grates an der Öffnung. Da der Grat von den Solarzellen weg gerichtet ist, kann der Stromsammler, wenn er durch die Kontaktierungsfläche durchgeführt wird, durch den Grat gehalten werden (z.B. mechanisch durch ein Einhaken oder Verkanten).
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Vorteilhafterweise kann die beispielhafte Bypass-Diode an den Kontaktierungsflächen der Anschlussdose angebracht werden. Daher sind die Kontaktierungsflächen z.B. flächenförmig in der Anschlussdose ausgebildet (z.B. als Schienen). Die Öffnungen in der Kontaktierungsfläche können durch ein Stanzen oder Bohren ausgebildet werden, wobei gemäß Ausführungsbeispielen ein entstehender Grat gezielt ausgebildet wird bzw. nicht beseitigt wird, um als Widerhaken zu dienen. Außerdem bietet der Grat einen zusätzlichen Halt für die Lötverbindung, die sich über den Grat erstreckt, so dass der Grat zumindest teilweise in die Lötverbindung eintaucht bzw. von der Lötverbindung umschlossen wird. Auf diese Weise wird eine zuverlässige und sichere elektrische Verbindung sichergestellt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Öffnungen gemäß Ausführungsbeispiele einen Trichter bilden, die ein automatisches Führen der Stromsammler durch die Öffnung hindurch ermöglichen. Hierdurch wird eine weitere Automatisierung ermöglicht.
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Mit einer geänderten Führung der Stromsammler (Querverbinder) und/oder der Geometrie kann der Verbund aus Stromsammler und Kontaktierungsfläche mittels kontaktloser Lötung einfacher und optisch kontrollierbar umgesetzt werden.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden durch die folgende detaillierte Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt eine Kontaktierung für ein Photovoltaikmodul nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt ein beispielhaftes Photovoltaikmodul mit einer Anschlussdose.
- 3 zeigt eine Kontaktierung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zur Kontaktierung nach einem weiteres Ausführungsbeispiel.
- 5 veranschaulicht eine konventionelle Kontaktierung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In den folgenden Figuren sind die Bezugszeichen derart gewählt, dass alle Komponenten, die eine gleiche Funktion haben, ein gleiches Bezugszeichen tragen, d.h. Kontaktierungsflächen tragen gemeinschaftlich ein Bezugszeichen, die Öffnungen tragen gemeinschaftlich ein Bezugszeichen, die Lötverbindungen tragen gemeinschaftlich ein Bezugszeichen usw.
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1 zeigt eine Kontaktierung für ein Photovoltaikmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der 1 oben ist eine Draufsicht auf das Photovoltaikmodul (nicht zu sehen) mit der darauf angebrachten Anschlussdose 100 dargestellt. Innerhalb der Anschlussdose 100 sind hier beispielhaft zwei Kontaktierungsflächen 110 ausgebildet, die jeweils eine Öffnung 112 aufweisen. Durch die Öffnungen 112 erstrecken sich jeweils ein Stromsammler 200, der den Strom von den Solarzellen zuführt. Die Stromsammler 200 sind über Lötverbindungen 300 mit den Kontaktierungsflächen 110 verbunden. Es versteht sich, dass die Anzahl der Stromsammler 200, der Öffnungen 112 und der Kontaktierungsflächen 110 beliebig sein kein. Insbesondere braucht auch nur ein Stromsammler 200 und eine Kontaktierungsfläche 110 ausgebildet sein.
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In der unteren Hälfte der 1 sind zwei Querschnittsansichten dargestellt. Die Querschnittsebene erstreckt sich durch die Kontaktierungsflächen 110 mit den Öffnungen 112 entlang der Linie A-A' (siehe 1 oben). In der oberen Querschnittsansicht sind die Lötverbindungen 300 noch nicht ausgebildet und in der unteren Querschnittsansicht sind die Lötverbindungen 300 vorhanden. Gemäß Ausführungsbeispielen weisen der Kontaktierungsflächen 110 einen Grat 114 auf, der von den Solarzellen weg zeigt (d.h. in den Querschnittsansichten nach oben zeigt) und einen Rand der entsprechenden Öffnung 112 bildet. Die Stromsammler 200 können als Kontaktstreifen oder Schienen mit einem rechteckförmigen Querschnitt gebildet sein. Die Erfindung soll nicht auf eine bestimmte Form eingeschränkt werden.
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Die Stromsammler 200 erstrecken sich durch die Öffnungen 112 hindurch, so dass der Grat 114 als ein Haken wirken kann, um eine Fixierung zu unterstützen. Um diesen Effekt zu verstärken, kann die Breite d der Öffnungen 114 an die Dicke der Stromsammler 200 angepasst werden (z.B. kleiner als 2 mm oder kleiner als 1 mm oder kleine als 0,5 mm). Der Grat 114 kann beispielsweise zumindest teilweise in die Lötverbindung 300 eintauchen oder von dieser umschlossen werden, wodurch ein verbesserter Halt erreicht wird. Ein Verbschiebung parallel zum Photovoltaikmodul wird damit ebenso verhindert wie ein Herausziehen. Um die Stabilität weiter zu erhöhen, kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Grat 114 nach Hindurchführen des Stromsammlers 200 zumindest teilweise wieder zurückgebogen werden, um den Stromsammler 200 an der Kontaktierungsfläche 110 einzuklemmen.
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Außerdem bietet der Grat 114 einen Halt für die Lötverbindung 300. Auch die thermische Stabilität wird dadurch verbessert, da thermische Spannungen häufig zu kleinen Verschiebungen führen. Im Gegensatz zu der konventionellen Verbindung, wird dadurch eine optische Prüfung der Lötverbindung (z.B. von oben) ermöglich.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen wird die Öffnung 112 durch eine Stanzung oder Bohrung erreicht, so dass sich ein Grat automatisch durch das Ausbilden der Öffnung 112 herausstellt. Der Grat 114 kann auch durch ein Hochbiegen eines Öffnungsschlitzes erzeugt werden, sodass Enden der durchtrennten Kontaktierungsfläche 110 nach oben (von den Solarzellen weg) zeigen und eine gleiche Wirkung haben wie ein Stanzgrat. Die Öffnung 112 kann rund oder länglich gestaltet sein. Die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht auf eine spezielle Form der Öffnung 112 eingeschränkt werden. Im Allgemeinen wird die Öffnung 112 an den Querschnitt der Stromsammler 200 angepasst.
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Die Öffnung 112 gemäß Ausführungsbeispielen bietet weiter den Vorteil, dass sie auf der Seite der Solarzellen einen Trichter bildet, der ein Durchführen der Stromsammler 200 erleichtert. Im Gegensatz zu den konventionellen Kontaktierungen wird damit eine Automatisierung möglich oder erleichtert.
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2 zeigt ein beispielhaftes Photovoltaikmodul 10 mit einer Vielzahl von Solarzellen 20. Die Solarzellen 20 können beispielsweise seriell hintereinander verschaltet sein (in sogenannten Strings), die wiederum parallel entlang des Photovoltaikmoduls 10 angeordnet sind. Der durch die Solarzellen 20 erzeugte Strom wird über die Stromsammler 200 (in der 2 nicht zu sehen) gesammelt und zusammen an die Anschlussdosen 100 weitergeleitet. Die Anschlussdose 100 kann beispielsweise auf einer Rückseite, d. h. einer der Lichteinstrahlung abgewandten Seite, des Photovoltaikmoduls 10 angeordnet sein und ist mit äußeren Anschlussleitungen 30 verbunden. Die Anschlussleitungen 30 leiten den Strom aus dem Photovoltaikmodul 10 ab. Die Stromsammler 200 sind daher zumindest ein Teil der Verbindungsleitungen von der Anschlussdose zu den einzelnen seriell verschalteten Solarzellen und leiten den Strom zu der Anschlussdose 100.
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Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen braucht die Anschlussdose 100 nur einen Stromsammler 200 und nur eine Kontaktierungsfläche 110 aufweisen. Wenn, wie dargestellt, zwei Stromsammler 200 und zwei Kontaktierungsflächen 110 ausgebildet sind, können die Kontaktierungsflächen 110 genutzt werden, um eine Bypass-Diode oder ein anderes Bypass-Element als Überbrückung zwischen den beiden Kontaktierungsflächen 110 daran auszubilden. Die Bypass-Diode kann ebenfalls durch die ausgebildeten Lötverbindungen 300 elektrisch kontaktiert werden. Die beispielhafte zumindest eine Diode bewirkt eine Überbrückung zumindest eines Teils des Solarmoduls, falls die Gefahr einer Überlastung von einige Solarzellen in dem Solarmodul besteht. Diese Diode kann auch mit den Enden der Stromsammler 200 fest verbunden werden (z.B. durch Schweißen oder Löten).
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Kontaktierung, bei dem die Stromsammler 200 eine Abknickung 204 im Bereich der Öffnung 112 der Kontaktierungsfläche 110 aufweisen. Gezeigt sind wieder zwei Querschnittsansichten entlang der Querschnittslinie A-A' (siehe 1), wobei in der oberen Ansicht die Lötverbindung 300 noch fehlt, in der unteren Querschnittsansicht aber ausgebildet ist. Die Abknickung 204 kann beispielsweise durch ein Umbiegen der Stromsammler 200 an dem Grat 114 ausgebildet werden. Damit wird ein Herausgleiten der Stromsommer 200 aus der Öffnung 112 verhindern oder zumindest weiter erschwert. Vorteilhafterweise ist die Breite der Öffnung 112 wieder an die Breite oder Geometrie des Stromsammlers 200 angepasst, sodass ein optionales Einhakten des Stromsammlers 200 an dem Grat 214 erreicht wird. Dies bietet einen zusätzlichen mechanischen Halt der Verbindung. Außerdem wird die elektrische Kontaktierung zwischen den Stromsammlern 200 und der Kontaktfläche 110 verbessert. Um den elektrischen Kontakt und die Stabilität weiter zu erhöhen, kann der Grat 214 den/die Stromsammler 200 einklemmen. Dies kann durch ein Zusammendrücken des Grates 214 vor dem Ausbilden der Lötverbindung 300 geschehen.
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Auch in diesem Ausführungsbeispiel bildet die Öffnung 112 mit dem Grad 214 vorteilhafterweise einen Trichter, um ein Einführen der Stromsammler 200 in die Öffnung 112 zu erleichtern. Die Kontaktierungsfläche 110 stellt auf diese Weise eine Führungsfläche bereit, die den Stromsammler 200 - selbst bei nicht-genauer Platzierung - zuverlässig in die Öffnung 112 führt.
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4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Ausbilden einer Kontaktierung für ein Photovoltaikmodul. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Anordnen S110 eines Stromsammlers 200, um einen elektrischen Strom von zumindest einer Solarzelle 20 in dem Photovoltaikmodul 10 zuzuführen;
- - Anordnen S120 einer Anschlussdose 100 auf dem Photovoltaikmodul 10, wobei die Anschlussdose 100 eine Kontaktierungsfläche 110 mit einer Öffnung 112 und einem Grat 114 aufweist und ausgebildet ist, um mit einer externen Zuleitung 300 für das Photovoltaikmodul 10 verbunden zu werden;
- - Hindurchführen S125 des Stromsammlers 200 durch die Öffnung 112; und
- - Verlöten S130 des Stromsammlers 200 mit der Kontaktierungsfläche 110, sodass ein Ende des Stromsammlers 200 und der Grat 114 zumindest teilweise von der Lötverbindung 30 umschlossen wird.
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Weitere optional Verfahrensschritte umfassen ein Stanzen zum Ausbilden der Öffnungen 112 oder eine optische Inspektion der Lötverbindung. Das Stanzen kann derart ausgeführt werden, dass die Stanzöffnung an den Querschnitt des Stromsammler 200 angepasst ist (z. B. weitestgehend übereinstimmt).
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Optional kann auch ein Abknicken oder Umbiegen des Stromsammlers 200 nach dem Hindurchführen S125 des Stromsammlers 200 durch die die Öffnung 112 ausgeführt werden. Das Abknicken kann an dem Grat 114 erfolgt, um ein Einhaken des Stromsammlers 110 an dem Grat 114 zu erreichen. Gleichzeitig kann auch ein Teil des Grates 114 zurückgebogen werden, um einen Kontakt zu dem oder Einklemmen des Stromsammler(s) 200 zu erreichen. So kann z.B. der Stromsammler 200 in direktem Kontakt zu der Kontaktierungsfläche 110 stehen. Um Beschädigungen am Stromsammler 200 zu vermeiden, kann optional auch ein Abstand zwischen dem Stromsammler 200 und der Kontaktierungsfläche 110 gelassen werden, wobei dieser Abstand dann mit Lötmaterial beim Ausbilden der Lötverbindung 300 gefüllt werden kann.
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Die Prozessführung kann wie folgt zusammengefasst werden:
- Statt die Stromsammler 200 in die Dose zu führen und abzuknicken, kann dieser zusätzlicher Prozessschritt vermieden werden. Die Stromsammler 200 können von vornherein kürzer aus dem Laminat ausgeführt und senkrecht in die Anschlussdose 100 eingebracht werden; und zwar ohne ein zusätzliche Abknicken. Dies spart sowohl einen Prozessschritt als auch Material. Dann kann mittels kontaktloser Lötung und externer Zinnzuführung direkt von oben auf den Stromsammler 200 Lötzinn aufgebracht werden, welcher sowohl den Stromsammler 200 als auch die umliegenden vorverzinnte Kontaktierungsflächen 110 benetzt und lötet. Durch das Benetzungsverhalten des Lötzinns bildet sich über dem Stromsammler 200 ein Zinnmeniskus in Kontakt mit der Kontaktierungsfläche 110 aus und stellt somit eine feste und von oben optisch kontrollier- und bewertbare Lötverbindung zwischen Stromsammlern 200 und der/den Kontaktierungsfläche(en) 110 her. Mit einer angepassten Geometrie lässt sich der Stromsammler 200 einfacher in die Anschlussdose 300 führen und fixieren und verbessert gleichzeitig die Benetzbarkeit mit Lötzinn und die Ausbildung des Meniskus zur Bewertung der Lötverbindung.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 400
- Anschlussdose (junction box)
- 110, 410
- zumindest eine Kontaktierungsfläche
- 112, 412
- zumindest eine Öffnung
- 114
- Grat an der Öffnung
- 200, 420
- zumindest ein Stromsammler
- 204
- Abknickung
- 300, 430
- Lötverbindung
- d
- Breite der Öffnung
