DE10329082A1 - Elektrisches Bauelement, insbesondere Laserdiodenbauelement, elektronische Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zueinander verschalteten elektrischen Serienelementen und Überbrückungselement für ein elektrisches Serienelement - Google Patents

Elektrisches Bauelement, insbesondere Laserdiodenbauelement, elektronische Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zueinander verschalteten elektrischen Serienelementen und Überbrückungselement für ein elektrisches Serienelement Download PDF

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Abstract

Es wird ein elektrisches Bauelement, insbesondere ein Laserdiodenbauelement mit einem elektrischen Serienelement (1), insbesondere einem Laserdiodenbarren, angegeben, an dem im Betrieb eine bestimmte Spannung anliegt, wobei dem elektrischen Serienelement (1) ein Überbrückungselement (2) parallel geschalten ist, das sich bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung am zugehörigen elektrischen Serienelement (1) in einem stromsperrenden Zustand befindet und das in einen stromleitenden Zustand umschaltet, sobald der Spannungsabfall am elektrischen Serienelement (1) die Betriebsspannung um eine vorgegebenen Wert überschreitet und der dann durch das Überbrückungselement (2) fließende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft insbesondere ein Laserdiodenbauelement, eine elektrische Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zueinander verschalteten Laserdiodenbarren und ein Überbrückungselement, insbesondere mit Hochleistungslaserdiodenbarren.
  • In der nachfolgenden Beschreibung wird teilweise stellvertretend für den Begriff des „elektronischen Bauelements" der Begriff Laserdiodenbauelement verwendet. Der Begriff „elektrisches Serienelement" wird teilweise synonym durch durch den Begriff „Laserdiodenbarren" ersetzt, welcher gegen einen Unterbrechungsausfall geschützt werden soll. Die Verwendung der Synonyme geschieht lediglich zum Zwecke einer besseren An besseren schaulichkeit, ist jedoch nicht beschränked zu verstehen.
  • Beim Ausfall eines Laserdiodenbarrens kann es zur Unterbrechung des Stromflusses über den Laserdiodenbarren kommen. In einer Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zu einander verschalteten Laserdiodenbarren führt dies zum Komplett-Ausfall aller Laserdiodenbarren der betroffenen Serie. Zur Behebung des Ausfalls wird bislang üblicherweise die gesamte Serie mit dem ausgefallenen Laserdiodenbarren ausgetauscht.
  • Zur Vermeidung des Austauschs einer gesamten Serie an Reihenelementen sind verschiedene Vorschläge bekannt. Bei seriell verschalteten Glühlampen wird eine defektursächliche Kurzschlussschaltung eingesetzt. Hierbei schließt eine gespannte Feder nach dem Bruch des Glühfadens den zunächst unterbrochenen Stromkreis.
  • Eine elektromechanische Lösung sieht ein bistabiles Relais vor, das mit der Erregerwicklung und dem Schliesskontakt jedem der Reihenelemente parallel geschaltet ist. Bei einer Unterbrechung des Stromkreises erhöht sich die elektrische Spannung über die normale Betriebsspannung des zu sichernden Reihenelementes, wodurch das Relais anspricht und sich selbst dauerhaft kurzschließt.
  • Weiterhin ist bekannt, den Reihenelementen einen nicht linearen Widerstand parallel zu schalten. Als Widerstand werden zum Beispiel Varistoren, Dioden oder Zenerdioden eingesetzt. Bei dieser Variante muss der Widerstand mindestens die gleiche, in der Regel sogar eine deutlich höhere, elektrische Leistung wie das zu überbrückende Reihenelement im Normalbetrieb der Serienschaltung aufnehmen können. Der Widerstand wäre somit als Hochleistungsbauteil mit entsprechender wärmetechnischer Auslegung auszuführen.
  • Die aufgezählten Lösungsmöglichkeiten lassen sich nicht ohne weiteres auf in Serie verschaltene Serienelemente, wie z.B. die bereits genannten Hochleistungslaserbarren, die Betriebsströme im Bereich zwischen 10 und 100 A und Spannungen von jeweils 1 bis 3 V aufweisen, übertragen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Bauelement bzw. eine Schaltungsanordnung bereit zu stellen, bei der es bei einem Ausfall eines einzelnen elektrischen Serienelements nicht zum Komplett-Ausfall der gesamten Serie von Serienelementen kommt, wobei hohe Ströme im Bereich zwischen 10 und 100 A bewältigt werden können, so dass sich eine kleine, kompakte Anordnung ergibt.
  • Diese Aufgabe wird mit einem elektrischen Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. mit einer Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 und einem Überbrückungselement mit den Merkmalen des Anspruches 18 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die nachfolgende Beschreibung wird zeigen, dass die Erfindung nicht nur für große Ströme zwischen 10 und 100 A, sondern auch für kleinere Ströme von weniger als 10 A eingesetzt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung sieht vor, ein Überbrückungselement parallel zu einem elektrischen Serienelement, z.B. einem Diodenlaser, zu schalten, dass beim Ausfall des elektrischen Serienelements, der eine Unterbrechung des Stromflusses über dieses zur Folge hat, das Überbrückungselement durchschaltet und das ausgefallene elektrische Serienelement kurzschliesst. Das Kurzschliessen erfolgt hierbei, sobald der Spannungsabfall am elektrischen Serienelement die Betriebsspannung um einen vorgegebenen Wert überschreitet und ein dann durch das Überbrückungselement fließende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht. Das Überbrückungselement muss derart ausgestaltet sein, dass es bei ordnungsgemäßen Betrieb des elektrischen Serienelenents hochomig ist und dass es bei schadhaftem hochomigen Serienelement aufgrund des erhöhten Spannungsabfalls durchschaltet und das elektrische Serienelement kurzschliesst, so dass die übrigen Serienelemente einer Serienschaltung nach wie vor mit Strom versorgt bleiben. Ob das Überschreiten des vorgegebenen Werts der Betriebsspannung direkt durch die eine kritische Spannung überschreitende Spannung oder durch den durch das Überbrückungselement fliessenden Strom verursacht wird, ist dabei unerheblich.
  • Das Überbrückungselement weist in einer bevorzugten Ausgestaltung einen Widerstand, insbesondere einen nicht-linearen Widerstand, z.B. einen Varistor oder eine Zenerdiode, sowie eine Auslösevorrichtung und eine Schaltvorrichtung auf, wobei die Auslösevorrichtung bei Erreichen des vorgegebenen Stromwertes die Schaltvorrichtung leitend schaltet. Der nichtlineare Widerstand gewährleistet ein zügiges Erreichen des vorgegebenen Stromwertes. Zu diesem Zweck sind der Widerstand und die Auslösevorrichtung seriell verschalten. Die Serienschaltung aus dem Widerstand und der Auslösevorrichtung ist der eigentlichen Schaltvorrichtung parallel geschalten.
  • Bevorzugt wird die Schaltvorrichtung durch Aktivierung von in der Auslösevorrichtung gespeicherten potentiellen Energie betätigt. Die potentielle Energie kann in Form einer vorgespannten Feder vorliegen, die durch einen Schmelzdraht gehalten wird. Durch den stark ansteigenden Strom wird der Schmelzdraht überhitzt und schließlich reissen. Die mit einem Schaltkontakt gekoppelte Feder schliesst dadurch irreversibel die Schaltkontakte der Schaltvorrichtung.
  • Bevorzugt beinhaltet die Auslösevorrichtung ein chemisch reaktives Material. Durch Zündung dieses chemisch reaktiven Materials können die zunächst von einander beabstandenen Schaltkontakte der Schaltvorrichtung irreversibel miteinander in Kontakt gebracht werden.
  • Die Auslösevorrichtung kann alternativ auch ein physikalisch reaktives Material aufweisen, welches die Schaltenergie (U·I·t) durch Volumenausdehnung in Schaltarbeit umsetzt. Dabei ist U die Schaltspannung, I der mittlere Auslöseschaltstrom und t die Schaltzeit.
  • Der Mechanismus der Auslösevorrichtung besteht darin, dass der elektrisch oder thermisch auslösbare Zündmechanismus mit einer in ihrer Wirkung nach außen begrenzten chemischen Sprengladung gekoppelt ist. Hierdurch ist ein schnelles, irreversibles Schalten der Schaltvorrichtung möglich. Diese Variante ermöglicht insgesamt ein kompaktes Überbrückungsele ment, das beispielsweise als SMD-Bauteil (Surface Mounted Device) realisiert sein kann.
  • Bei der Auswahl des chemisch reaktiven Materials ist zu beachten, dass dieses weder durch den regulären Betrieb des Laserdiodenbauelementes noch durch das Auflöten des Laserdiodenbauelementes bzw. des Überbrückungselements auf eine Leiterplatte ausgelöst werden darf. Die bei einem Lötvorgang entstehenden Temperaturen von maximal 300°C dürfen die Zündung nicht auslösen. Die Zündung darf ausschließlich durch den erhöhten Spannungsanstieg oder den in der Folge davon erzielten kritischen Strom im Auslösepfad ausgelöst werden.
  • Das erfindungsgemäße elektrische Bauelement ermöglicht die Durchleitung von Strömen bis zu 100 A und kann bei entsprechender Dimensionierung der Bauelemente auch höhere Ströme verkraften. Das Überbrückungselement, insbesondere die Schaltvorrichtung kann diese hohen Ströme dauerhaft mit sehr niedrigem Kontaktwiderstand leiten. Damit wird mit Ausnahme des sehr kurzen Schaltüberganges praktisch keine elektrische Leistung umgesetzt, wodurch nach Auslösung des Überbrückungselementes eine nur unwesentliche Erwärmung erfolgt.
  • Der nicht-lineare Widerstand ist so dimensioniert, dass dieser erst ab einer bestimmten, vorgebenen Spannung einen, kritischen Strom fliessen lässt, welcher die Auslösevorrichtung zu einer irreversiblen Auslösung der in ihr gespeicherten potentielle Energie veranlasst und hierdurch die mit der Auslösevorrichtung gekoppelte Schaltvorrichtung betätigt. Dies kann elektrisch, thermisch, mechanisch erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die wesentliche Schaltenergie auch aus der Schaltenergie Uk·I·t gespeist werden, wobei Uk die kritische Schaltspannung, I der mittlere Auslösestrom und t die Schaltzeit ist. Die Auslösevorrichtung selbst besitzt im Vergleich zu dem nicht-linearen Widerstand einen vernachlässigbaren elektrischen Widerstand, wodurch im Normalbetrieb des elektrischen Bauelementes kaum Verluste erzeugt werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zu einander verschaltenen Serienelemten, z.B. Laserdiodenbarren, an denen in Betrieb der Serienschaltung jeweils eine bestimmte Betriebsspannung anliegt, ist vorgesehen, zumindest einem Serienelement ein Überbrückungselement parallel zu schalten. Wie bereits im Zusammenhang mit dem elektrischen Bauelement, das insbesondere ein Laserdiodenbauelement darstellt, beschrieben wurde, befindet sich dieses bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung am zugehörigen Serienelement bzw. Laserdiodenbarren in einem Strom sperrenden Zustand und schaltet in einen Strom leitenden Zustand um, sobald der Spannungsabfall am Serienelement bzw. Laserdiodenbarren die Betriebsspannung um einen vorgegebenen Wert überschreitet und der dann durch das Überbrückungselement fliessende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht.
  • Bereits das Vorsehen von Überbrückungselementen bei nur einigen der in Serie verschalteten Serienelemente führt zu einer erhöhten Ausfallsicherheit. Wenn z.B. N Laserdioden hintereinander geschalten werden und jede Laserdiode innerhalb einer bestimmten Zeit eine Ausfallwahrscheinlichkeit W hat, so hat die Serienschaltung ohne weitere Maßnahmen eine Ausfallwahrscheinlichkeit von W × N innerhalb dieses Zeitraumes. Wenn lediglich bei Y Laserdiodenüberbrückungselemente vorgesehen sind, durch die ein Ausfall der jeweiligen Laserdiode toleriert wird, dann verringert sich die Ausfallwahrscheinlichkeit innerhalb des Zeitraumes auf (N·W)^Y. Die vorstehende Berechnung gilt zwar nur bei einer annähernd gleichmäßigen Ausfallverteilung jeder einzelnen Laserdiode. Jedoch wird die Effektivität durch das Vorsehen lediglich einiger Überbrückungselemente ohne weiteres deutlich.
  • Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit bzw. um einen Ausfall vollständig zu verhindern, ist es vorteilhaft, jedem Laserdiodenbarren ein Überbrückungselement parallel zu schalten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, eine Stromkonstanterschaltung zur Begrenzung des durch die seriell zu einander verschaltenen Laserdiodenbarren fliessenden Stromes vorzusehen. Stattdessen kann auch eine normale Abschaltsicherung, z.B. eine Schmelzsicherung, vorgesehen werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laserdiodenbauelementes bzw. der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus den im folgenden in Verbindung mit den Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
  • 1 eine beispielhafte Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zu einander verschalteten Laserdiodenbarren,
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Überbrükkungselementes im Querschnitt,
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Überbrükkungselementes im Querschnitt und
  • 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Überbrükkungselementes im Querschnitt.
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zu einander verschalteten Laserdiodenbarren 1. In der Figur sind lediglich beispielhaft zwei seriell mit einander verschaltete Laserdiodenbarren 1 dargestellt, die an eine Spannungsquelle 3 angeschlossen sind. Wiederum beispielhaft ist nur einem der Laserdiodenbarren 1 ein Überbrückungselement 2 parallel geschaltet.
  • Das Überbrückungselement 2 weist einen vorzugsweise nichtlinearen Widerstand 21 und eine dazu seriell verschaltene Auslösevorrichtung 22 auf. Die Serienschaltung aus dem Wider stand 21 und der Auslösevorrichtung 22 ist über einen ersten Anschluss 24 und einen zweiten Anschluss 25 dem Laserdiodenbarren 1 parallel geschaltet. Mit dem ersten und zweiten Anschluss 24, 25 ist eine Schaltvorrichtung 23 verbunden, die damit der Serienschaltung aus dem Widerstand 21 und der Auslösevorrichtung 22 parallel geschalten ist.
  • Im regulären Betrieb der seriell zu einander verschalteten Laserdiodenbarren ist die Schaltvorrichtung 23 geöffnet, so dass über sie kein Strom fliessen kann. Im Falle eines Defektes des Laserdiodenbarrens 1 erhöht sich der Spannungsabfall über ihn und führt zu einem Spannungsanstieg zwischen dem ersten und zweiten Anschluss 24, 25. Aufgrund des nichtlinearen Widerstandes 21 erhöht sich der Strom durch diesen und die Auslösevorrichtung 22. Bei Erreichen eines bestimmten Stromwertes löst die Auslösevorrichtung 22 einen Auslösemechanismus aus, der Schaltkontakte in der Schaltvorrichtung 23 schliesst, so dass der Laserdiodenbarren 1 kurzgeschlossen wird. Alternativ kann die Auslösevorrichtung 22 auch einfach durch die an dieser anliegenden Spannung ausgelöst werden. Der Strom durch den Widerstand 21 und die Auslösevorrichtung 22 ist dann nicht wichtig, sondern die Tatsache, dass eine kritische Spannung überschritten wird.
  • Bei den in Serie verschaltenen Laserdiodenbarren handelt es sich um Hochleistungslaserbarren, von denen zwischen 10 und 1000 Stück mit Betriebsspannungen von jeweils 1 bis 3 V und Betriebsströme in der Größenordnung zwischen 10 und 100 A verschaltet sind. Es kann sich auch um in Serie geschaltete Leistungs-LEDs handeln, von denen ca. 10 bis 100 Stück mit Betriebsspannungen von je ca. 1 bis 4 V und Betriebsströmen in der Größenordnung von 0,1 bis 5 A verschaltet sind. Das Funktionsprinzip und das Überbrückungselement kann jedoch prinzipiell auch in Verbindung mit beliebigen anderen Reihenelementen verwendet werden.
  • Wie aus den nachfolgenden Figurenbeschreibungen deutlich werden wird, ist das Laserdiodenbauelement und insbesondere das Überbrückungselement bevorzugt als SMD-Bauelement ausgeführt und in der Lage die geforderten Betriebsströme bis zu 100 A ohne nennenswerte Verlustleistung auszuhalten. Mit Ausnahme des sehr kurzen Schaltüberganges wird in der Schaltvorrichtung praktisch keine elektrische Leistung umgesetzt, so dass sich das Überbrückungselement bzw. die Schaltvorrichtung im Betrieb weder vor noch nach der Auslösung merklich erwärmen. Eine kurze Erwärmung findet nur während des Schaltvorganges statt.
  • Die nachfolgenden Figuren geben Ausführungsbeispiele wieder, auf welche Weise das Überbrückungselement realisiert werden kann.
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Überbrükkungselementes, bei dem die Auslösevorrichtung 222 mittels eines Schmelzdrahtes 222a und einer Feder 222b realisiert sind. Mit dem Schmelzdraht 222a ist ein erster Schaltkontakt 232 verbunden. Dieser ist über die Feder 222b mit einer Befestigungsvorrichtung 234, die ihrerseits auf einer Grund- oder Leiterplatte 230 angeordnet ist, verbunden. Durch den Schmelzdraht 222a wird die Feder 222b vorgespannt. Der Schmelzdraht 222a ist über eine flexible Anschlussleitung 235 mit einem Anschluss 225 verbunden, der einen Anschluss eines (nicht dargestellten) Laserdiodenbarrens bildet. Der Schmelzdraht 222a ist andererseits über den nicht-linearen Widerstand 221 mit dem anderen Schaltkontakt 231 der Schaltvorrichtung 223 und einen Anschluss 224, der den anderen Anschluss des Laserbarrens darstellt, verbunden. Der Schaltkontakt 231 ist über eine Befestigungsvorrichtung 233 auf der Grund- oder Leiterplatte 230 montiert. Die Befestigungsvorrichtung 234 hält und führt den Schmelzdraht 222a.
  • So lange der (nicht dargestellte) Laserdiodenbarren zwischen den Anschlüssen 224, 225 im Betrieb ist, sind die Schaltkon takte 231, 232 von einander beabstandet. Fällt der Laserdiodenbarren aus, so erhöht sich die an den Anschlüssen 224, 225 anliegende Spannung. Durch den nicht-linearen Widerstand 221 steigt der Strom schnell an, so dass der Schmelzdraht 222a reißt, wodurch die in der Feder 222b gespeicherte Energie freigesetzt wird und die Schaltkontakte 231, 232 mit einander in Verbindung bringt. Damit ist ein direkter Kontakt zwischen den Anschlüssen 224, 225 hergestellt.
  • In den 3 und 4 weist die Auslösevorrichtung einen elektrisch oder thermisch auslösbaren Zündmechanismus auf, der mit einer in ihrer Wirkung nach außen begrenzten chemischen „Sprengladung" gekoppelt ist. Der thermische Zündmechanismus kann dabei physikalischer und/oder chemischer Natur sein.
  • In Ausnehmungen 338a einer Grund- oder Leiterplatte 330 ist ein becher- oder topfförmiger Schaltkontakt 331 eingeführt und über ein Lot 337 mit auf der Grund- oder Leiterplatte 330 liegenden Leiterzügen 336 elektrisch verbunden. Mit dem Schaltkontakt 331 steht eine Metallplatte 332 mechanisch und elektrisch in Verbindung. Die Metallplatte 332 durchquert das Innere des im Querschnitt dargestellten topfförmigen Schaltkontaktes 331. Durch eine Ausnehmung 339 in der Metallplatte 332 ist ein L-förmig gebogener Schaltkontakt 333 geführt. Der Schaltkontakt 333 ist über eine Isolierung 335 von der Metallplatte 332 elektrisch getrennt. Die Ausnehmung 339 in der Metallplatte 332 ist dabei derart platziert, dass der Schaltkontakt 333 ebenfalls durch eine Ausnehmung 338b in einer Grund- oder Leiterplatte 330 geführt werden kann. Der durch die Ausnehmung 338b geführte Bereich des Schaltkontakte 333 ist über ein Lot 337 mit Leiterzügen 336 auf der Grund- oder Leiterplatte 330 verbunden. Das durch die Leiterplatte 330 geführte Ende des Schaltkontaktes 333 bildet einen Kontakt 325. Die durch die Leiterplatte 330 geführten Enden des Schaltkontaktes 331 bilden einen Kontakt 324. Zwischen den Kontakten 324, 325 ist ein (nicht dargestellter) Laserdiodenbarren verschalten.
  • Zwischen dem Schaltkontakt 333 und der Metallplatte 332 sind der nicht-lineare Widerstand 321 und eine aus einem physikalisch und/oder chemisch reaktiven Material 322 gebildete Auslösevorrichtung angeordnet. Das physikalisch und/oder chemisch reaktive Material ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel leitfähig, so dass von dem Kontakt 324 über die Metallplatte 332, den nicht-linearen Widerstand 321, die Auslösevorrichtung 322, den Schaltkontakt 333 und den Kontakt 325 ein Strom fliessen kann.
  • Beim Ausfall des Laserdiodenbarrens erhöht sich die zwischen den Kontakten 324, 325 anliegende Spannung und führt aufgrund des nicht-linearen Widerstands 321, z.B. in Form eines Varistors, zu einem starken Stromanstieg entlang des genannten Pfades. Die dadurch bedingte Erwärmung des physikalisch und/oder chemisch reaktiven Materials der Auslösevorrichtung 322 führt zu dessen Zündung oder infolge der starken Erwärmung physikalisch zu dessen Ausdehnung, so dass der waagerecht angeordnete Bereich des Metallkontaktes 333 mit dem waagrecht angeordneten Bereich des Kontaktes 331 in Kontakt gebracht wird. Um einen innigen Kontakt zwischen diesen herzustellen, sind auf dem Schaltkontakt 333 kegel- oder pyramidenförmige Noppen angeordnet, die sich in das Material des Schaltkontaktes 331 bohren. Infolge der plastischen Verformung der Metallkontakte 333 und des Schaltkontaktes 331 bleibt der innige elektrische Kontakt auch nach dem Zusammenbruch der Spannung zwischen den Kontakten 324, 325 und der Erkaltung des reaktiven Materials erhalten.
  • Nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet das Überbrückungselement gemäß 4. Zwischen den Kontakten 424, 425, die Teil eines Leiterrahmens sind, ist der (nicht gezeigte) Laserdiodenbarren angeschlossen. Beidseitig der Kontakte ist eine Umhüllung 431 vorgesehen. Im Inneren der Umhüllung 431 sind zwei übereinander ragende Schaltkontakte 432, 433 angeordnet, von denen der Schaltkontakt 432 mit dem Anschluss 424 und der Schaltkontakt 433 mit dem Anschluss 425 in Kontakt steht. Lediglich beispielhaft sind in der unteren Hälfte auf dem Schaltkontakt 434 wiederum Kontaktnoppen 434 angeordnet. Die Kontakte 424, 425 sind über einen nicht-linearen Widerstand 421 elektrisch miteinander verbunden. Der Widerstand 421 und Bereiche der Kontakte 424, 425 sind von einem physikalisch und/oder chemisch reaktiven Material 422, das die Auslösevorrichtung bildet, umgeben. Im Falle eines Ausfalles des Laserdiodenbarrens erhöht sich die Spannung zwischen den Schaltkontakten 424, 425, wodurch ein sich schnell aufbauender Strom durch den Widerstand 421 fließt. Dieser erwärmt die physikalisch und/oder chemisch reaktive Schicht 422, so dass diese gezündet wird. Durch die entstehende Druckwelle werden die Schaltkontakte 433 plastisch verformt und bleibend gegen die Schaltkontakte 432 gepreßt, so dass ein Kurzschluss zwischen den Kontakten 424, 425 entsteht. Dadurch ist der Laserdiodenbarren bleibend elektrisch überbrückt.
  • Die in den 2 bis 4 dargestellten Überbrückungselemente sind vorzugsweise als SMD-Bauteile ausgeführt. Sie sind billig in der Herstellung und ermöglichen die Überbrückung sehr hoher Ströme im Bereich zwischen 10 und 100 A. Das erfindungsgemäße Bauteil lässt sich kostengünstig und kompakt herstellen. Es schließt ab einer bestimmten Überspannung an einem auf Unterbrechnung zu überwachenden Bauteil, welches mit mehreren in Reihe geschaltet ist, in kürzester Zeit mechanisch sicher über einen hochstromtauglichen Metallkontakt irreversibel kurz.
  • Gegenüber der angedeuteten Möglichkeit der Auslösung der Auslösevorrichtung nur durch eine bestimmte Mindestspannung ist die Auslösung durch einen bestimmten Mindeststrom durch die Auslösevorrichtung für eine bestimmte Mindestzeit vorzuziehen (z.B. ist ein Strom größer als 0,5 A für eine Zeitdauer von mehr als 1 ms ausreichend), da hier eine bessere Sicherheit gegen ungewolltes Auslösen besonders vor dem Einbau des Überbrückungselements gewährleistbar ist.

Claims (25)

  1. Elektrisches Bauelement mit einem elektrischen Serienelement (1), an dem im Betrieb eine bestimmte Betriebsspannung anliegt, wobei dem elektrischen Serienelement (1) ein Überbrückungselement (2) parallel geschalten ist, das sich bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung am zugehörigen elektrischen Serienelement (1) in einem stromsperrenden Zustand befindet und das in einen stromleitenden Zustand umschaltet, sobald der Spannungabfall am elektrischen Serienelement (1) die Betriebsspannung um einen vorgegebenen Wert überschreitet und der dann durch das Überbrückungselement fließende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht.
  2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungselement (2) einen Widerstand (21), eine Auslösevorrichtung (22) und eine Schaltvorrichtung (23) aufweist, wobei die Auslösevorrichtung (22) bei Erreichen des vorgegebenen Spannungs- oder Stromwerts die Schaltvorrichtung (23) schließt.
  3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (23) der Serienschaltung aus dem Widerstand (21) und der Auslösevorrichtung (22) parallel geschalten ist.
  4. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das der Widerstand (21) nicht-linear ist.
  5. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (21) durch einen Varistor oder eine Zenerdiode gebildet ist.
  6. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (23) durch Aktivierung der in der Auslösevorrichtung (22) gespeicherten potentiellen Energie betätigbar ist.
  7. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösevorrichtung (22) ein chemisch reaktives Material oder ein physikalisch durch Ausdehnung reagierendes Material enthält.
  8. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösevorrichtung (22) elektrisch oder thermisch auslösbar ist.
  9. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung des Überbrückungselements (2) von dem nichtleitenden in den leitenden Zustand irreversibel ist.
  10. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungselement (2) zur Durchleitung von Strömen bis zu 100 A bestimmt ist.
  11. Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl von seriell zueinander verschalteten elektrischen Serienelementen, an denen im Betrieb der Serienschaltung jeweils eine bestimmte Betriebsspannung anliegt, wobei zumindest einem der elektrischen Serienelemente (1) ein Überbrückungselement (2) parallel geschaltet ist, das sich bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung am zugehörigen elektrischen Serienelement (1) in einem stromsperrenden Zustand befindet und das in einen stromleitenden Zustand umschaltet, sobald der Spannungabfall am elektrischen Serienelement (1) die Betriebsspannung um einen vorgegebenen Wert überschreitet und der dann durch das Überbrückungselement fließende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht.
  12. Schaltungsanordung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jedem elektrischen Serienelement (1) ein Überbrückungselement (2) parallel geschalten ist.
  13. Schaltungsanordung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromkonstanterschaltung zur Begrenzung des durch die seriell zueinander verschalteten elektrischen Serienelemente (1) fliessenden Stromes vorgesehen ist.
  14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungselement (2) einen Widerstand (21), eine Auslösevorrichtung (22) und eine Schaltvorrichtung (23) aufweist.
  15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (23) der Serienschaltung aus dem Widerstand (21) und der Auslösevorrichtung (22) parallel geschalten ist.
  16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das der Widerstand (21) nicht-linear ist.
  17. Schaltungsanordung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand ein Varistor oder eine Zenerdiode ist.
  18. Überbrückungselement für ein elektrisches Serienelement (1), an dem im Betrieb eine bestimmte Betriebsspannung an liegt, wobei das Überbrückungselement (2) dem elektrischen Serienelement (1) parallel schaltbar ist, so dass sich dieses bei Anliegen der bestimmten Betriebsspannung am zugehörigen elektrischen Serienelement (1) in einem stromsperrenden Zustand befindet und sich in einen stromleitenden Zustand umschaltet, sobald der Spannungabfall am elektrischen Serienelement (1) die Betriebsspannung um einen vorgegebenen Wert überschreitet und der dann durch das Überbrückungselement fließende Strom einen vorgegebenen Wert erreicht.
  19. Überbrückungselement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Überbrückungselement (2) einen Widerstand (21), eine Auslösevorrichtung (22) und eine Schaltvorrichtung (23) aufweist, wobei die Auslösevorrichtung (22) bei Erreichen des vorgegebenen Stromwerts oder bei Erreichen eines vorgegebenen Spannungswerts die Schaltvorrichtung (23) schließt.
  20. Überbrückungselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (23) der Serienschaltung aus dem Widerstand (21) und der Auslösevorrichtung (22) parallel geschalten ist.
  21. Überbrückungselement nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das der Widerstand (21) nicht-linear ist.
  22. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (21) durch einen Varistor oder eine Zenerdiode gebildet ist.
  23. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (23) durch Aktivierung der in der Auslösevorrichtung (22) gespeicherten potentiellen Energie betätigbar ist.
  24. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (23) durch die physikalische Reaktion durch die in der kurzen Schaltzeit eingespeiste Schaltenergie betätigbar ist.
  25. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auslösung der Auslösevorrichtung (22) eine bestimmte Mindeststromstärke und ein bestimmtes Mindest-Produkt aus Strom und Zeitdauer erforderlich ist.
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