-
Technisches Gebiet:
-
Eine hochlastfähige Steuerungsanordnung gemäß der Erfindung
dient zur Integration der Steuerungselektronik, beispielsweise in
einem Elektromotor.
-
Aus dem Stand der Technik ist ein
Stanzgitter zur Verbindung elektrischer Bauelemente bekannt. Das
Stanzgitter wird aus einem Metallstreifen herausgestanzt und dient
zur mechanischen Halterung und elektrischen Verbindung von auf ihm
angebrachten elektrischen Bauelementen. Das Stanzgitter mit den
darauf angebrachten Bauelementen kann mit Kunststoff umspritzt werden
und Halterungen für Bauteile
oder Außentüllen für Stecker
ausweisen. Das Stanzgitter kann Bereiche verschiedener Dicke sowie
Bereiche aufweisen, die als stiftförmige Anschlüsse für eine elektrische
Steckverbindung dienen. Im Randbereich des Stanzgitters können Öffnungen
vorgesehen sein, die sowohl zum Transport des Stanzgitters während der
Montage der Bauelemente dienen als auch zur mechanischen Befestigung
der fertigen Schaltung. Die Randbereiche können derart um die Schaltung
herumgebogen werden, daß sie
eine elektromagnetische Abschirmung bilden, wobei die Randbereiche
des Stanzgitters als Kühlkörper ausgebildet
sein können.
-
Aus einer weiteren aus dem Stand
der Technik bekannten Anordnung ist eine Schaltungsplatine sowie
ein Verfahren zur Herstellung der Schaltungsplatine bekannt. Die
Schaltungsplatine zum Einsatz beispielsweise in der Zentralelektrik
eines Kraftfahrzeuges ist mit einer eine Leiterbahnstruktur aufweisenden
Trägerplatine
versehen. Diese dient zum Verbinden von elektronischen Bauelementen,
die mit sehr niedrigen Strömen
betrieben werden und weist Durchbrüche zur Aufnahme elektrischer
Kontakte auf. Mindestens eine weitere Leiterplatine für hohe Ströme wird
direkt auf der Trägerplatine
plaziert und mittels Einpreß-
und/oder Steckkontakten mit der Trägerplatine elektrisch verbunden.
Die Leiterbahnstruktur der Hochstromleiterplatine wird durch Ausstanzen
aus Blech oder aus Folie hergestellt.
-
DE-C1 42 33 679 betrifft eine elektrische Multifunktionseinheit,
wie sei beispielsweise zum Anschluss an Generatoren in Kraftfahrzeugen
verwendet wird. Die Multifunktionseinheit besteht aus zwei Halbschalen,
zwischen denen Hohlräume
zur Aufnahme der Leiterbahnen und Bauteile vorgesehen sind.
-
DE-A1 43 21 331 bezieht sich auf ein Anbausteuergerät mit einem
einseitig offenen, mehrteiligen Gehäuse, das an den Gehäuseblock
eines Hydroaggregats angesetzt ist. In dem Gehäuse des Anbausteuergeräts ist eine
Leiterplatte für
eine elektronische Schaltung mit mehreren elektronischen Bauteilen
angeordnet. Die Leiterplatte besteht aus mehreren starren Bereichen,
wobei ein starrer Bereich durch den Deckel des Gehäuses gebildet
wird. Zwischen den beiden starren Bereichen befindet sich ein schlaufenartiger,
flexibler nur aus der Leiterfolie bestehender Bereich. Ferner ragt
die Leiterfolie über den
starren Bereich der Leiterplatte hinaus und wird in diesem Bereich
mit den Anschlusspins der Verbraucher des Hydroaggregats kontaktiert.
-
DE-A1 40 01 017 hat eine Montageeinheit aus
einem Ventilblockaggregat sowie einem Steuergerät zum Gegenstand. Das Ventilblockaggregat
und das elektronische Steuergerät
sind durch eine Kontaktstift-Kontakthülse-Verbindung trennbar miteinander
verbunden. Die Kontakthülsen
sind in einem kappenförmigen,
isolierenden Gehäuseteil
des Ventilblockaggregats angeordnet. Sie sind mit flexiblen Leitungen
mit Anschlusskontakten der Ventile des Ventilblockaggregats verbunden.
Die im Steuergerät
verankerten Kontaktstifte stehen mit einem in das Steuergerätegehäuse eingeformten
Stanzgitter in Verbindung, an dessen Leitungsstege elektronische
Bauteile des Steuergeräts
angeschlossen sind.
-
Darstellung der Erfindung:
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltungsplatine mit einer Trägerplatine,
die eine Anzahl elektronischer Bauelemente aufnimmt, die mit niedrigem
Strom betreibbar sind, mit Durchbrüchen zur Aufnahme elektrischer
Kontakte und mit einer weiteren flächigen Struktur. Dabei ist
zwischen einem elektrischen Aktor und der Trägerplatte auf der dem Aktor zugewandten
Seite eine mittels stiftförmiger
Elemente mit der Trägerplatine
verbundene flächige
Struktur angeordnet, die die bei Hochlast des Aktors entstehende
Wärme gleichmäßig verteilt.
-
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konfiguration
der Schaltungsplatine ist die extrem geringe Entfernung zwischen
der Regelung des Aktors bestehend aus elektronischen Bauelementen, aufgenommen
auf der Trägerplatine,
so daß die EMV-Problematik
in einem hohen Maße
ausgeschaltet bleibt. Mittels der als Wärmeleiter zwischen Trägerplatine
und elektronischem Aktor dienenden flächigen Struktur, lassen sich
die elektronischen Bauteile stärker
thermisch belasten, da nunmehr auch das Gehäuse des elektrischen Aktors
als Wärme
abtransportierende Fläche
einbezogen werden kann. Dies wiederum erlaubt den Verzicht auf Kühlkörper, was
sich platzsparend und die Materialkosten senkend auswirkt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens läßt sich die flächige Struktur
zur Erzielung einer möglichst
guten Wärmeleitung
aus einem Material mit hervorragenden Wärmeleiteigenschaften fertigen. Dies
erlaubt eine thermische Belastung der auf der Trägerplatine angeordneten elektronischen
Bauteile, die mit niedrigen Strömen
betreibbar sind, die ihre Begrenzung erst durch die Halbleitergrenztemperatur
findet. Als geeignetes Material für die flächige Struktur sei beispielsweise
Cu genannt.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Gedankens
ist zwischen dem Aktor und der flächigen Struktur eine Wärmeleitbrücke angeordnet.
-
Die flächige Struktur läßt sich
auf besonders vorteilhafte Weise als Stanzgitter ausbilden, was
eine kostengünstige
Herstellung von flächigen
Strukturen in großen
Stückzahlen
erlaubt. Die erfindungsgemäße Schaltungsplatine
läßt sich
besonders wirtschaftlich in Sandwichbauweise, bestehend aus Trägerplatine
und flächiger
Struktur, gestalten. Zur Verbesserung der Konvektion und der Wärmeabgabe
an die Umgebung, kann die flächige
Struktur mit die Luftzirkulation ermöglichenden Öffnungen versehen sein, die
gebohrt oder gestanzt oder auf eine andere Weise in die flächige Struktur
eingebracht werden können.
Auch eine Perforierung der flächigen
Strukturen zur Verbesserung der Luftzirkulation ist denkbar.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Gedankens
sind die Trägerplatine und
die flächige
Struktur mit Einstecköffnungen
versehen, beispielsweise zur Aufnahme von optional bestückbaren
Sonderbauteilen. Einsteckstifte, welche die Trägerplatine und die flächige Struktur
miteinander verbinden, greifen einerseits in Einstecköffnungen
der flächigen
Struktur und andererseits in elektrische Anschlüsse auf der Trägerplatine
ein. Die optional bestückbaren
elektronischen Bauelemente lassen sich einfach auf der Schaltungsplatine,
bestehend aus Trägerplatine
und flächiger
Struktur befestigen, ohne daß Schrauben
oder eine Verlötung
sowie damit zusammenhängende
Fertigungs- und Montagevorgänge
erforderlich wären.
-
Mittels der flächigen Struktur, die in Sandwichbauweise
mit der Trägerplatine
verbunden ist, läßt sich
unter Verzicht auf die Anordnung von Kühlkörpern oder einer entsprechenden
Verrippung die Mantelfläche
des elektrischen Aktors als wärmeabgebende
Oberfläche
in den Prozeß der
Wärmeleitung
integrieren. Damit wird die zur Wärmeabgabe an die Umgebung dienende
Oberfläche
entscheidend vergrößert.
-
In vorteilhafter Verwendung der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich
die Schaltungsplatine in Sandwichbauweise bei Elektromotoren, elektrischen Schaltelementen,
Ventilen und Hähnen
einsetzen, mithin überall
dort, wo niedrige Steuerungsströme und
Hochlastströme
auf begrenztem Bauraum auftreten und eine Integration von Elektrik
und Elektronik auf engstem Bauraum zu realisieren ist.
-
Anhand der Zeichnung sei die Erfindung nachstehend
detailliert erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 die
Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Trägerplatine mit darunter liegender
flächiger
Struktur und
-
2 eine
Seitenansicht eines elektrischen Aktors mit in Sandwichbauweise
ausgeführter
Schaltungsplatine aus Trägerplatine
und flächiger
Struktur.
-
Auführungbeispiele:
-
1 zeigt
die Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Trägerplatine
mit darunter liegender flächiger
Struktur.
-
Die Schaltungsplatine in Sandwichbauweise besteht
aus einer Trägerplatine 1,
mit einer in 1 beispielsweise
als darunter liegend angeordneten flächigen Struktur 11.
Auf der Platinenfläche 2 der Trägerplatine 1 sind
elektronische Bauelemente 5 angeordnet, beispielsweise
Widerstände 3 oder
Kondensatoren 4. Die Kondensatoren 4 verfügen über Kontaktstifte 6,
mit welchen sie einerseits mechanisch mit der Trägerplatine 1 verbunden
sind und welche andererseits als elektrische Kontakte dienen. Der
lötfreie
Kontakt zwischen der flächigen
Struktur 11 und der Trägerplatine 1 wird
durch Einsteckelemente 7, beispielsweise mit einer Anfasung 8 versehene
Einsteckstifte hergestellt.
-
Die flächige Struktur 11 kann
mit Öffnungen 9, 10 versehen
sein, die beispielsweise in eine als Stanzgitter ausgeführte flächige Struktur 11 bei
deren Herstellung eingestanzt werden können. Sie verbessern die Luftzirkulation
und damit die Abgabe der bei Hochlast eines elektrischen Aktors 15 entstehende Wärme. In
vorteilhafter Weise ist die flächige
Struktur 11 aus Material mit hervorragenden Wärmeleitfähigkeiten
gefertigt und kann beispielsweise aus Kupfer (Cu) bestehen.
-
In 2 ist
eine Seitenansicht eines elektrischen Aktors mit in Sandwichbauweise
ausgebildeter Schaltungsplatine aus Trägerplatine und flächiger Struktur
dargestellt.
-
In der dargestellten Ausführung ist
eine erfindungsgemäße Schaltungsplatine
beispielsweise mit einer Stirnseite eines elektrischen Aktors 15 verbunden,
im vorliegenden Falle eines Elektromotors 15, dessen Gehäuse eine
Mantelfläche 19 aufweist.
An der der Schaltungsplatine gegenüberliegenden Stirnseite des
elektrischen Aktors 15 ragt eine Antriebswelle 17 aus
diesem heraus, die im Drehsinn 18 in Rotation versetzt
wird.
-
Die aus einer Trägerplatine 1 und einer
flächigen
Struktur 11 aus einem extrem wärmeleitfähigen Material gefertigte Schaltungsplatine
ist mit elektronischen Bauelementen 5, wie Widerstände 3 und Kondensatoren 4 bestückt. Die
elektronischen Bauelemente 5 können einfach auf die Platinenfläche 2 aufgesteckt
werden. Die Platinenfläche 2 ist
mit weiteren Einstecköffnungen 12 versehen,
in die je nach Bedarf bei standardmäßiger Bestückung der Schaltungsplatine
nicht benötigte
Sonderbauteile eingesteckt werden können. Befestigungselemente
wie Schrauben oder deren Montage oder das Verlöten der elektronischen Bauteile 5 auf
der Platinenfläche 2 können entfallen.
Die mechanisch über
die Einstecköffnungen 12 mit
der Trägerplatine 1 verbundenen
elektronischen Bauelemente 5 sind durch in der Trägerplatine 1 vorgesehene
elektrische Anschlüsse 13 über Einpreßelemente 7 mit
der flächigen
Struktur 11 verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind
die Einsteckstifte 7 derart ausgeführt, daß sie die Trägerplatine 1 und
die flächige
Struktur 11 kontaktmäßig miteinander
verbinden, aber in einem Abstand zueinander halten.
-
Die Einpreßstifte 7 können aber
auch so dimensioniert sein, daß die
Trägerplatine 1 und
die flächige
Struktur 11 aneinander anliegen und kein Zwischenraum zwischen
den einander zugewandten Seiten der Trägerplatine 1 und der
flächigen
Struktur 11 verbleibt. Die flächige Struktur 11 ihrerseits
ist mit Öffnungen 9, 10 versehen,
die eine verbesserte Luftzirkulation ermöglichen, was die durch Konvektion mögliche Wärmeabgabe
unterstützt.
Neben der Ausstanzung oder dem Bohren von Öffnungen 9, 10 in der
flächigen
Struktur 11 können
in dieser auch Perforierungen vorgesehen sein, was der Wärmeabgabe durch
Konvektion ebenfalls förderlich
ist.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die flächige
Struktur 11 beispielsweise mit einem eine Wärmeleitbrücke 20 bildenden
Sockel ausgestattet, der auf einer Stirnseite des elektrischen Aktors 15 aufsitzt
und mit diesem einen Hohlraum 14 einschließt. Ebensogut
könnte
die flächige
Struktur 11 der erfindungsgemäßen Schaltungsplatine plan
an der Stirnseite des elektrischen Aktors 15 anliegen, was
eine gute Wärmeübertragung
durch Wärmeleitung
ermöglicht.
Eine beabstandete Anordnung der flächigen Struktur 11 von
der Stirnseite ermöglicht eine
gute Wärmeabführung durch
konvektiven Wärmetransport.
Da die Schaltungsplatine in unmittelbare Nähe des elektrischen Aktors 15 untergebracht
ist, spielt die EMV-Problematik
nur eine untergeordnete Rolle.
-
Die flächige Struktur 11,
die in vorteilhafter Weise als ein Stanzgitter ausgeführt sein
kann, verteilt die bei Hochlast des elektrischen Aktors 15 entstehende
Wärme gleichmäßig auf
die Trägerplatine 1 und
das Gehäuse,
insbesondere die Mantelfläche 19 des
elektrischen Aktors. Dadurch lassen sich die thermischen Belastungen,
die über
Ströme
von bis zu 120A auf der Trägerplatine 1 auftreten
gleichmäßig verteilen.
Da die Mantelfläche
des elektrischen Aktors 15 nunmehr als wärmeableitende
Oberfläche
genutzt werden kann, sind die thermischen Belastungen zwar höher, aber
gleichmäßig auf
die elektrischen Halbleiterbauelemente 5 verteilt. Die
Einbeziehung des elektrischen Aktors 15 als wärmeabgebende
Oberfläche
gestattet den Verzicht auf aufwendige Verrippungen zu Kühlzwecken,
sowie den Verzicht auf separate Kühlelemente.
-
Die thermische Belastung der elektronischen Bauelemente 5 findet
ihre Grenze erst in der Halbleitergrenztemperatur. Bei guter Wärmeleitfähigkeit, wie
beispielsweise bei einem Stanzgitter gefertigt aus Kupfer, kann über die
erfindungsgemäße Schaltungsplatine
sowie über
den elektrischen Aktor 15 selbst, die bei Hochlast entstehende
Wärme ohne
separate Kühlkörper sicher
abgeführt
werden, ohne daß es
zu Überhitzungserscheinungen
kommt.
-
Zwar ist die in der Darstellung gemäß 2 ein elektrischer Aktor 15 als
Elektromotor beschrieben, doch lassen sich auch elektrische Stellelemente, Ventile,
Hähne und
andere Bauteile mit der erfindungsgemäßen Schaltungsplatine aus Trägerplatine 1 und
flächiger
Struktur 11 versehen, wo eine einfache Integration von
Elektrik und Elektronik, die mit niedrigen Stromstärken betreibbar
ist, gefordert wird.
-
- 1
- Trägerplatine
- 2
- Platinenfläche
- 3
- Widerstand
- 4
- Kondensator
- 5
- elektronische
Bauteile
- 6
- Anschlüsse
- 7
- Einsteckstift
- 8
- Anfasung
- 9
- Öffnung
- 10
- Öffnung
- 11
- flächige Struktur
- 12
- Einstecköffnung
- 13
- elektrische
Anschlüsse
- 14
- Hohlraum
- 15
- Elektromotor
- 16
- Sockel
- 17
- Antriebswelle
- 18
- Drehsinn
- 19
- Mantelfläche
- 20
- Wärmeleitbrücke