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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Vielzahl von
elektrisch miteinander verbundenen Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren.
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Die
Doppelschichtkondensatoren stellen Wickel dar, die in einem dichten,
von den elektrischen Anschlüssen
des Kondensators isolierten Gehäuse eingebaut
und mit einem Elektrolyt getränkt
sind.
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Die
zulässige
Betriebsspannung von Doppelschichtkondensatoren bleibt jedoch auf
wenige Volt begrenzt. Da bei den meisten Anwendungen die Betriebsspannung
wesentlich höher
sind, müssen
im allgemeinen mehrere Doppelschichtkondensatoren zu einem Modul
in Reihe geschaltet werden.
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In
den bisher bekannten Modulen dieser Art werden die Anschlüsse der
einzelnen Kondensatoren elektrisch meist durch Metallstreifen oder
elektrische Leitungen miteinander verbunden. Die so zu verbindenden
Kondensatorwickel werden entweder einzeln eingehäust oder durch meist aufwendig
auszuführende
Vorrichtungen wie z. B. Befestigungsplatten, Horden oder Einschübe voneinander
isoliert und mechanisch im äußeren Gehäuse befestigt
und/oder mit einer Vergußmasse
vergossen. Da die Doppelschichtkondensatoren aufgrund von Fertigungstoleranzen
unterschiedliche Höhen
und auch voneinander abweichende Dehnungseigenschaften bei Temperaturänderung
aufweisen, treten im so gebildeten Modul mechanische Verspannungen
auf, welche die elektrischen Eigenschaften des Gesamtmoduls beeinträchtigen
oder sogar zum Ausfall des Moduls führen können. Beim Ausfall eines einzelnen
Kondensators in einem solchen Modul kann der beschädigte Kondensator
nicht ausgetauscht werden.
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Aus
der Druckschrift
DE
40 08 417 C2 ist bekannt, in Kondensatorbatterien die Kontaktlaschen verschiedener
Kondensatoren übereinander
anzuordnen und auf dem Kondensatoranschluß zu verschrauben.
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Aus
der Druckschrift
DE
10021315 A1 ist eine Kondensatoranordnung mit mehreren
Kondensatorzellen bekannt, die jede für sich in einem Gehäuse untergebracht
ist. Die Elektroden der Kondensatorzellen sind über nicht näher beschriebene Zuleitungen
außerhalb
der Gehäuse
in Reihe geschaltet.
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Aus
der Druckschrift
DE
3518236 C2 ist es bekannt, auf einer Montageplatte eine
Kondensatorbatterie anzuordnen. Die beiden Kondensatoranschlüsse sind
zur Montageplatte gewandt und in Fächern angeordnet, in denen
Verbindungsschienen zur Kontaktierung von Kondensatorpolen einlegbar sind.
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Aus
der Druckschrift
DE
8909246 U1 ist eine auf einer beidseitig kupferkaschierten
Tragplatte angeordnete Kondensatorbatterie bekannt. Die beiden als
Lötstifte
ausgebildeten Kondensatoranschlüsse sind
bodenseitig angeordnet und mit der Tragplatte verlötet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Schaltungsanordnung
mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren zu schaffen,
die hohen mechanischen Anforderungen gerecht ist, im Schadenfall
den Austausch einzelner Kondensatoren zuläßt und dabei kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind aus weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung gibt eine als Kondensatormodul ausgestaltete Schaltungsanordnung
an, die mindestens zwei auf einer Basisplatte nebeneinander angeordnete,
elektrisch miteinander verbundene Zellen aufweist, die jeweils mindestens
einen Kondensator enthalten. Die Zellen sind gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet.
Die Kondensatoren sind deckelseitig – d. h. auf der von der Basisplatte
abgewandten Seite – fest
mit Laschen aus Metall verbunden, die jeweils mindestens eine Bohrung
aufweisen. Dabei überlappen
zwei Laschen, die den zueinander gewandten Kondensatoren unterschiedlicher
Zellen zugeordnet sind, miteinander so, daß ihre Bohrungen deckungsgleich übereinander
liegen. Durch die koaxialen Bohrungen der miteinander überlappenden Laschen
ist ein elektrisch leitendes Befestigungselement – vorzugsweise
ein Befestigungsbolzen – hindurch
geführt,
durch das diese Laschen gestützt,
von der Basisplatte beabstandet, elektrisch miteinander und mechanisch
fest miteinander und mit der Basisplatte verbunden sind.
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Die
Kondensatoren sind miteinander vorzugsweise in Reihe geschaltet.
Möglich
ist auch eine Parallelschaltung oder eine Kombination einer Serien-
und einer Parallelschaltung der Kondensatoren, wobei im letzteren
Fall z. B. die Kondensatoren einer Zelle parallel zueinander geschaltet
sind, während die
Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind.
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Die
Kondensatoren sind vorzugsweise als Doppelschichtkondensatoren bzw.
als mit einem Elektrolyt imprägnierte
Wickel ausgebildet und können
einen beliebigen – insbesondere
einen runden oder rechteckigen – Querschnitt
haben. Die Kondensatoren sind vorzugsweise zylinderförmig oder
auch flach ausgebildet.
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Das
durch die Bohrungen der überlappenden
Metallaschen hindurch geführte
Befestigungselement wird auf einer Seite z. B. durch ein Gewinde mechanisch
fest mit der Basisplatte verbunden. Nach der gegenseitigen Justierung
und Positionierung des Befestigungselements und der Metallaschen
werden diese vorzugsweise durch Löten oder Schweißen fest
miteinander verbunden.
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Die
Schaltungsanordnung mit erfindungsgemäß verwendeten Befestigungselementen
wird hohen mechanischen Anforderungen gerecht. Ein besonderer Vorteil
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
besteht darin, daß die
einzelnen Kondensatorwickel beim Modulaufbau nicht eingegossen werden
müssen.
Daher sind die Kondensatoren im Schadenfall leicht demontierbar
und können problemlos
ausgetauscht werden.
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Der
zweiteilige Aufbau der deckelseitigen Verbindungselemente zwischen
verschiedenen Kondensatorzellen gewährleistet im Wesentlichen von mechanischen
Spannungen freie Verbindungen zwischen den Kondensatorzellen, auch
wenn die Kondensatoren aufgrund ihrer Fertigungstoleranzen unterschiedliche
Längen
bzw. unterschiedliches Dehnungsverhalten aufweisen.
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Durch
erfindungsgemäß verwendete
Befestigungselemente sind insbesondere auch robuste und verdrehsichere
elektrische Anschlüsse
des Kondensatormoduls realisierbar.
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In
einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist vorgesehen, daß die auf
der Basisplatte angeordneten Befestigungselemente zunächst mit
Distanzelementen versehen werden, welche zur Positionierung der
unterschiedliche Zellen verbindenden Metallaschen dienen. Die Distanzelemente
sind vorzugsweise als Hohlzylinder bzw. Hohlrohr mit einem beliebigen
Querschnitt ausgebildet.
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Zur
Erhöhung
der mechanischen Stabilität und
zur Verringerung des Übergangswiderstands
an den Schnittstellen der Anordnung werden die miteinander in Kontakt
gebrachten Elemente aus Metall wie z. B. Kondensatoranschlüsse, Metallaschen
bzw. bodenseitige Metallplatten und Befestigungselemente an deren
entsprechenden Kontaktstellen vorzugsweise durch Schweißen oder
Löten fest
miteinander verbunden. Die Löt-
oder Schweißverbindungen
können
grundsätzlich
auch durch Druckkontakte ersetzt werden.
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Es
ist zweckmäßig, daß zunächst die
Kondensatoren einer Zelle, falls mehrere Kondensatoren pro Zelle
vorgesehen sind, vorzugsweise durch eine bodenseitig angeordnete
Metallplatte oder Leiterplatte elektrisch und mechanisch fest miteinander
verbunden werden. Des weiteren erfolgt die Befestigung der Zellen
auf der Basisplatte und die deckelseitige elektrische Verbindung
der Zellen. Möglich
ist es auch, daß die
bodenseitige mechanische Verbindung der Kondensatoren einer Zelle
direkt durch die vorzugsweise mit elektrisch leitenden Strukturen
versehene Basisplatte erfolgt.
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In
einer Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Modulanordnung werden
die Metallaschen zunächst
einerseits auf dem Befestigungselement und andererseits auf dem jeweiligen
Kondensator positioniert. Die so positiorierten Metallaschen werden
anschließend
mechanisch fest mit dem deckelseitigen Kondensatoranschluß verbunden.
Darüber
hinaus ist es möglich, daß die überlappenden
Metallaschen und das durch diese hindurch geführte Befestigungselement auch – vorzugsweise
durch Schweißen
oder Löten – fest miteinander
verbunden werden.
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Möglich ist
es aber auch, daß die
Metallaschen zunächst
mechanisch fest und elektrisch mit den jeweiligen deckelseitigen
Kondensatoranschlüssen
verbunden werden, wobei ein zur Überlappung mit
einer jeweils anderen Metallasche vorgesehener Teil einer ausgewählten Metallasche
seitlich über dem
Kondensatordeckel übersteht.
Die Kondensatoren der nebeneinander liegenden Zellen werden dann
so relativ zueinander positioniert, daß ihre einander entsprechenden
Metallaschen überlappen, wobei
die in den überlappenden
Metallaschen vorgesehenen Bohrungen im Wesentlichen übereinander liegen.
Die teilweise Überdeckung
der Metallaschen kann beispielsweise durch eine versetzte Höhenlage der
miteinander überlappenden
Teile der Metallaschen gewährleistet
sein.
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In
einer Variante der Erfindung ist eine mechanisch feste bodenseitige
Verbindung mehrerer, zu einer Zelle zusammengefaßter Kondensatoren vorgesehen.
Diese Verbindung ist vorzugsweise als eine einteilig ausgebildete
Metallplatte mit Bohrungen ausgeführt. Vorzugsweise ist durch
diese Bohrungen die Metallplatte mit den Kondensatoren einer Zelle mittels
eines zweiten Befestigungselements auf der Basisplatte befestigt.
Das zweite Befestigungselement ist vorzugsweise aus einem elektrisch
leitenden Material ausgeführt
und kann in diesem Fall eine elektrische Verbindung zu auf der Leiterplatte
angeordneten Elementen realisieren.
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Eine
zwei- bzw. mehrteilige Ausführung
der bodenseitigen Metallplatte ist möglich, aber nicht sinnvoll.
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Aufgrund
der unterschiedlichen Werte der einzelnen Kapazitäten sowie
wegen des unterschiedlichen Selbstentladeverhaltens teilt sich die
angelegte gesamte Spannung nicht gleichmäßig auf die einzelnen Doppelschichtkondensatoren
auf. Dadurch können
an einzelnen Doppelschichtkondensatoren Überspannungen auftreten, die
zur Zerstörung
des Doppelschichtkondensators führen.
Daher wird in einer vorteilhaften Variante der Erfindung parallel
zu jedem Kondensator ein Entladewiderstand oder eine Entladeschaltung
geschaltet.
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Verschiedene
Gruppen der Bauelemente, die einerseits durch Kondensatoren und
andererseits durch auf der Leiterplatte angeordneten Schaltungselemente
wie z. B. Entladewiderstände
definiert sind, befinden sich in dieser Variante der Erfindung in
verschiedenen vertikal übereinander
angeordneten Lagen. Ein derart aufgebautes Kondensatormodul ist besonders
kompakt.
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Diese
Variante der Erfindung hat außerdem den
Vorteil, daß die
zur mechanischen Befestigung verwendeten Elemente – Befestigungsbolzen – gleichzeitig
eine elektrische Verbindung zu den entsprechenden Entladeelementen
realisieren.
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Die
Entladeelemente oder Gruppen solcher können auch jeweils auf einem
Abschnitt einer Leiterplatte angeordnet sein. Jeder Abschnitt der
Leiterplatte ist vorzugsweise durch den Befestigungsbolzen an die
Basisplatte geklemmt.
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Die
Basisplatte besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden
Material.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren zeigen anhand schematischer und nichtmaßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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1 zeigt schematisch eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ohne
Gehäuse
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2 zeigt schematisch ein
Ersatzschaltbild einer Zelle, die zwei Kondensatoren umfaßt
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3 zeigt schematisch eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Gehäuse
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4 und 5 zeigen jeweils eine schematische Draufsicht
auf eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
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1 zeigt in schematischer
Seitenansicht ein Modul mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ohne
Gehäuse.
Auf einer Basisplatte TP, die als mechanischer Träger der
Schaltungsanordnung dient, ist eine Leiterplatte LP angeordnet.
Es ist angedeutet, daß auf
der Leiterplatte LP Widerstände R
angeordnet sind, die jeweils parallel zu einem entsprechenden Kondensator
C1, C2, C1', C2', C1'' bzw. C2'' geschaltet
sind und als Entladewiderstände
dienen. Sie verhindern dabei eine unbeabsichtigte schlagartige Entladung
der Kondensatoren. Die Kondensatoren C1 und C2 sind in Reihe geschaltet,
wobei sie auf der zur Basisplatte TP gewandten Seite mechanisch
fest und elektrisch miteinander verbunden sind und eine Zelle Z1
(Twin-Zelle) bilden. Die Kondensatoren C1' und C2' sind ebenfalls in Reihe geschaltet
und bilden eine Zelle Z2. Auch die Kondensatoren C1'' und C2'' sind
in Reihe geschaltet und bilden eine Zelle.
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Es
ist angedeutet, daß die
von der Basisplatte TP abgewandten Anschlüsse der Kondensatoren C1'' und C2'' mechanisch
fest und elektrisch mit Laschen L2 bzw. L2' aus Metall verbunden sind. Die Metallaschen
sind durch elektrisch leitfähige
Befestigungsbolzen BB bzw. BB1' gestützt und
elektrisch mit weiteren Elementen verbunden. Dabei ist der Kondensator
C1'' elektrisch durch
die Laschen L2 und L1 mit dem Kondensator C2' der Nachbarzelle verbunden. Der von
der Basisplatte TP abgewandte Anschluß des endständigen Kondensators C2'' ist elektrisch durch die Lasche L2' und den verlängerten Befestigungsbolzen
BB1' mit einem externen
Anschluß A2
des Moduls verbunden.
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Die
Befestigungsbolzen weisen vorzugsweise zumindest in den zur Basisplatte
TP gewandten Bereichen ein Gewinde auf. In der Basisplatte TP sind
entsprechende Vertiefungen oder durchgehende Öffnungen – ggf. mit Gewinde – zur Aufnahme
von Befestigungsbolzen vorgesehen.
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Die
Laschen L2, L2' weisen
hier nicht dargestellte, in 4 gezeigte
Bohrungen BO auf. In 3 ist
gezeigt, daß die
Laschen L1 und L2 der miteinander zu verbindenen Kondensatoren überlappen,
wobei ihre Bohrungen BO übereinander
angeordnet sind, so daß der
Befestigungsbolzen BB durch diese Bohrungen hindurch geht. Am Befestigungsbolzen sind
Vorrichtungen vorgesehen, die einen zuverlässigen Druckkontakt bzw. eine
gute elektrische Verbindung der überlappenden
Laschen L1 und L2 gewährleisten.
Der Befestigungsbolzen BB dient außerdem zur elektrischen Verbindung
eines von der Basisplatte TP bzw. der Leiterplatte LP abgewandten
Kondensator-Anschlusses mit dem entsprechenden Anschluß des auf
der Leiterplatte LP angeordneten Enladewiderstands R.
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Der
Enladewiderstand R kann in einer weiteren Variante der Erfindung
durch ein anderes Entladeelement ersetzt werden, dessen Impedanz
durch eine vorzugsweise auch auf der Leiterplatte LP realisierbare
Steuerschaltung in Abhängigkeit
von der Spannung an der jeweiligen zu schützenden Kapazität verändert werden
kann.
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In 2 ist ein Ersatzschaltbild
der Zelle Z1 gemäß 1 gezeigt. Die Zelle Z1
umfaßt
zwei in Serie miteinander bzw. jeweils parallel zu einem Entladewiderstand
R verschaltete Kondensatoren. Die Kondensatoren sind bodenseitig
auf einem gemeinsamen Verbindungselement befestigt und elektrisch mit
diesem verbunden, z. B. auf einem Abschnitt einer Leiterplatte oder
einem Verbindungsblech aufgelötet
oder angeschweißt.
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Die
Kondensatorzellen Z1, Z2 sind auf der Basisplatte TP angeordnet
und zu einem elektrischen Modul zusammengefaßt.
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Eine
Zelle im Sinne der Erfindung kann auch nur einen Kondensator oder
mehr als zwei Kondensatoren aufweisen.
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Die
Kondensatoren einer Zelle sind auf der zur Basisplatte TP gewandten
Seite vorzugsweise durch eine Metallplatte P1, P2 z. B. aus Aluminium fest
mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Die Metallplatte
P1, P2 weist vorzugsweise zumindest eine in 4 dargestellte Bohrung BO1 auf, durch
die ein Befestigungselement FB, das vorzugsweise als Bolzen ausgebildet
ist, hindurch geht. Das Befestigungselement FB ist in einer in der
Basisplatte TP dafür
vorgesehenen Vertiefung befestigt und stabilisiert den Aufbau aus
den miteinander verbundenen Kondensatoren C1 und C2.
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In 3 ist angedeutet, daß die Lasche
L1' z. B. durch
ein als Hülse
ausgebildetes Distanzelement DH, das den Befestigungsbolzen BB1
allseitig umgibt, gestützt
sein kann. Der endständige
Befestigungsbolzen BB1 ist verglichen mit dem zwischen zwei Zellen
angeordneten Bolzen BB verlängert
ausgebildet mit einem externen Anschluß A1 des Moduls verbunden.
Auch bei den zwischen zwei Zellen angeordneten Bolzen BB können Distanzelemente
vorgesehen sein.
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Die
Schaltungsanordnung ist durch ein Gehäuse GH von außen geschützt. Das
Gehäuse
ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet.
Möglich
ist aber auch, daß das
Gehäuse
aus Metall ausgebildet und dabei von den Anschlüssen A1, A2 und den weiteren
elektrisch leitenden Elementen der Schaltungsanordnung vorzugsweise
isoliert ist.
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Die
Basisplatte TP kann wie links in der 3 gezeigt
im Gehäuse
GH angeordnet sein oder wie rechts in der 3 gezeigt über die Außenwand des Gehäuses hinausgehen.
Zur Befestigung des Moduls in externen Geräten sind in der Basisplatte TP
vorzugsweise Befestigungsvorrichtungen B2, B1 oder alternativ Vertiefungen,
durchgehende Öffnungen
bzw. Bohrungen zur Aufnahme solcher vorgesehen.
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Die
als Bolzen ausgeführten
Befestigungselemente BB, FB wie auch die endständigen Befestigungselemente
BB1, BB1' können in
einer Variante der Erfindung durch die Basisplatte TP hindurch gehen
und dabei zur externen Befestigung des Moduls verwendet werden.
In diesem Fall, insbesondere bei einem metallischen Gehäuse GH,
sind die Befestigungsbolzen vorzugsweise elektrisch nicht leitend ausgeführt oder
zumindest von der elektrischen Schaltung des Moduls isoliert.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
mit den hier beschriebenen Befestigungselementen Schutzabdeckungen,
die auf den entsprechenden Elementen vorgesehen sind, zu fixieren.
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Die
Befestigungsbolzen können
zumindest teilweise mit einem Innengewinde oder Außengewinde
versehen sein.
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4 zeigt in schematischer
Draufsicht von oben die z. B. gemäß 3 ausgeführte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit in Reihe geschalteten Kondensatoren. Die die Kondensatoren einer Zelle
verbindenden Metallplatten P1, P2 sind gestrichelt dargestellt.
Durch die Bohrungen BO1 werden die Metallplatten P1, P2 mit den
darauf befestigten Kondensatoren C1, C2 z. B. durch zweite z. B.
als Bolzen ausgebildete Befestigungselemente auf einer hier nicht
dargestellten Basisplatte befestigt.
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In 5 ist eine weitere Anordnung
der die Kondensatoren verbindenden Elemente in dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul
gezeigt. In dieser Variante weisen die überlappenden Laschen L1, L2 jeweils
nur eine Bohrung BO auf.
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Obwohl
in den Ausführungsbeispielen
nur eine beschränkte
Anzahl möglicher
Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die
Erfindung nicht auf diese beschränkt.
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- TP
- Basisplatte
- LP
- Leiterplatte
- GH
- Gehäuse
- Z1,
Z2
- Kondensatorzelle
- BB,
FB
- Befestigungselement
- BB1,
BB1'
- endständige Befestigungselemente
- DH
- Distanzelemente
- C1,
C2
- Kondensatoren
der Zelle Z1
- C1', C2'
- Kondensatoren
der Zelle Z2
- C1'', C2''
- Kondensatoren
einer Zelle
- R
- Entladewiderstand
- A1,
A2
- elektrische
Anschlüsse
der Schaltungsanordnung
- L1,
L2
- Lasche
aus Metall
- L1', L2'
- Lasche,
die mit einem endständigen Kondensator
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- verbunden
ist
- P1,
P2
- Metallplatte,
die die Kondensatoren einer Zelle
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- miteinander
verbindet
- B1,
B2
- externe
Befestigungselemente
- BO
- in
der Lasche L1, L2 vorgesehene Bohrung
- BO1
- in
der Metallplatte P1, P2 vorgesehene Bohrung