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Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem Bauelementkörper und einem Kontaktierungselement.
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Manche Bauelemente, beispielsweise keramische Varistoren zum Schutz von elektrischen Netzwerken und Anlagen vor Überspannung und Überstrom benötigen Kontaktierungselemente zur Außenkontaktierung, die hohe Stromtragfähigkeit bieten. Dazu kann auf dem Bauelementkörper, beispielsweise einem keramischen Varistor, eine Außenmetallisierung in Form einer dünnen metallischen Schicht (z. B. Silber) in homogener Dicke aufgebracht werden. Zur Außenkontaktierung, über die die Versorgung des Bauelementkörpers erfolgt, werden beispielsweise Kontaktbleche (z. B. aus Kupferblech) auf die metallisierten Flächen die Bauelementkörpers gelötet, sodass sie die metallisierten Flächen vollständig oder teilweise bedecken.
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Es gibt verschiedene Geometrievarianten für die Kontaktierungselemente zur Außenkontaktierung, die folgende Ansätze verfolgen: Das Anschlussblech zur Außenkontaktierung bedeckt die metallisierten Flächen annähernd vollflächig. Nachteil ist, dass große Kontaktflächen hohe thermomechanische Spannungen nach Auflöten des Anschlussblechs bewirken, die potenziell zur Rissbildung im Keramikkörper und in weiterer Folge potenziell zum Versagen des Bauelements führen. Weitere Nachteile sind, dass die Qualität der Lötung schwer zu beurteilen ist und manche Spezifikations- oder Kundenanforderungen mit annähernd vollflächig aufgelöteten Blechen schwer umsetzbar sind.
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Bei einem anderen Ansatz werden Ringe oder Bänder aufgelötet, die die Metallisierungsflächen teilweise bedecken, deren Form jedoch hinsichtlich der Stromtragfähigkeit nicht optimal ist. Hier sind die Nachteile: Inhomogene Stromdichteverteilungen bewirken lokale Temperaturüberhöhungen in der Metallisierungsschicht. Dadurch sinkt entweder die Stromtragfähigkeit des Bauelements oder es müssen dicke Metallisierungsschichten verwendet werden, die Materialeinsatz und Kosten erhöhen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Bauelements mit einem Kontaktierungselement zur Außenkontaktierung eines blockförmigen Bauelementkörpers, beispielsweise eines Varistors, das eine möglichst hohe Stromtragfähigkeit und möglichst hohe Robustheit gegenüber thermomechanischen Belastungen mit möglichst geringem Materialeinsatz ermöglicht. Auch die Einhaltung von, beispielsweise kundenspezifischen, Vorgaben bezüglich Form und Position der Weiterkontaktierung ist wünschenswert.
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Die Lösung ist ein Bauelement mit einem Bauelementkörper und einem Kontaktierungselement aus Metallblech mit einem Kontaktbereich, der eine Außenkonturlinie und zumindest ein Loch hat, wobei der Kontaktbereich auf einer Seite des Bauelementkörpers mit einem Seitenrand angeordnet ist und die Außenkonturlinie gerade Bereiche hat, die entlang von geraden Bereichen des Seitenrands verlaufen, wobei die geraden Bereiche der Außenkonturlinie durch abgerundete Ecken verbunden sind. Entlang verlaufen meint im Wesentlichen nebeneinander verlaufen oder aufeinander verlaufen.
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Die hohe Stromtragfähigkeit des Kontaktierungselements bei gleichzeitig geringem Materialeinsatz wird durch die spezielle Formgebung des blechernen Kontaktierungselements erreicht. Dessen Kontaktbereich wird auf eine Metallschicht des Bauelementkörpers, beispielsweise eines Varistors, gelötet und bedeckt die Metallisierungsschicht teilweise. Die vorgeschlagene Form des Kontaktierungselements ist optimiert für Bauelementkörper, z. B. Varistoren, mit eckigem, beispielsweise rechteckigem oder quadratischem, Querschnitt.
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Merkmale der Kontaktbereichsgeometrie für einen rechteckigen oder quadratischen Bauelementkörper sind: Die Außenkonturlinie ist rechteckig oder quadratisch mit abgerundeten Ecken. Im Zentrum des blechernen Kontaktbereichs ist ein kreisförmiges Loch, das durch einen geraden Steg teilweise mit Blechmaterial ausgefüllt ist, sodass beispielsweise zwei kreissegmentförmige Löcher vorliegen. Auch mehrere Stege sind denkbar. Durch die spezielle Form des Kontaktbereichs oder Anschlussblechs wird der Strom sehr homogen in der Metallisierungsschicht des Bauelements, z. B. Varistors, verteilt. So werden lokale Stromdichte- und Temperaturüberhöhungen vermieden und eine hohe Stromtragfähigkeit erreicht.
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Die vorgeschlagene Blechform eignet sich sowohl für Weiterkontaktierungen mit einer seitlich angebrachten Lasche als auch für Weiterkontaktierungen über eine erhabene Fläche im Zentralbereich des Bauelements. Dies ermöglicht Spezifikationsforderungen betreffend Position und Form der Weiterkontaktierung zu berücksichtigen.
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Die Blechformen der Ausführungsbeispiele des Kontaktierungselements können technisch einfach und kostengünstig hergestellt werden (z. B. durch Stanzen) und mit Standardverfahren auf die Metallisierungsschichten von Bauelementen, z. B. Varistoren, gelötet werden.
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Die Form des Kontaktierungselements verhindert Stromdichteschwankungen, sodass die Metallschicht beziehungsweise Metallisierungsschicht auf dem Bauelementkörper dünn und Material sparend ausgebildet sein kann. Auch der Kontaktbereich ist Material sparend ausgebildet. Dies wird ermöglicht durch die spezielle Formgebung des Anschlussblechs, welche die oben beschriebenen Anforderungen mit möglichst geringer bedeckter Fläche auf dem Bauelementkörper erfüllt. Dies ermöglicht insbesondere die Angleichung der Belastung der Metallisierungsschicht innerhalb und außerhalb des gelöteten Bereichs. Dies wird erreicht durch die Kombination von einer kreisförmigen Innenkontur der Löcher und einer abgerundeten, quadratischen Außenkontur des Kontaktbereichs. Der zusätzliche stegförmige Bereich zwischen den Löchern sorgt im Innenbereich des Kontaktbereichs für homogene Stromverteilung bei einseitiger Weiterkontaktierung und geringer Dicke des Blechs (z. B. 0,3 mm). Außerdem ermöglicht der stegförmige Bereich die Anordnung von Weiterkontaktierungen im Zentralbereich des Bauelementquerschnitts (z. B. durch einen erhabenen Blechbereich auf dem stegförmigen Bereich) ohne lokale Stromdichteüberhöhungen.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen erklärt. Es zeigen:
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1 die Vorderseite eines Ausführungsbeispiels eines Bauelements,
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2 die Rückseite eines Ausführungsbeispiels eines Bauelements,
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3 die Rückseite eines Ausführungsbeispiels eines Bauelements,
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4 die Rückseite eines Ausführungsbeispiels eines Bauelements,
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5 ein Ausführungsbeispiel eines Kontaktierungselements, und
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6A und 6B ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kontaktierungselement.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale oder solche ähnlicher Funktionalität.
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1 zeigt die Vorderseite eines Ausführungsbeispiels eines Bauelements, beispielsweise eines Varistors. Das Bauelement umfasst als Bauelementkörper 1 einen Keramikblock, der die beispielhaften Maße 33 × 33 × 3 mm mit einer Verrundung von 4 mm Radius haben kann. Auf Vorder- und Rückseite des Bauelementkörpers 1 ist jeweils eine Metallschicht 2, beispielsweise eine Silberschicht, der Größe 30 × 30 mm mit einer Verrundung vom 4 mm Radius aufgebracht.
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Die Außenkontaktierung erfolgt über ein Kontaktierungselement 3 aus Metallblech, beispielsweise Kupfer, umfassend einen Kontaktbereich 8, der auf der Metallschicht 2 aufgebracht, z. B. gelötet, ist und diese bereichsweise bedeckt. Das Kontaktierungselement 3 umfasst ferner eine Weiterkontaktierung 4, die beispielsweise auf der Vorderseite als 6 mm breiter Streifen mittig auf den Kontaktbereich 8 stößt. Die Weiterkontaktierung 4 ist steg- oder laschenförmig und erstreckt sich vom Bauelementkörper 1 weg. Am Ende der Weiterkontaktierung 4 kann ein Loch vorgesehen sein oder das Ende kann umgebogen sein (in 1 nicht gezeigt). Zwischen dem Übergang von Kontaktbereich 8 und Weiterkontaktierung 4 kann ein stufenförmiger Versatz vorgesehen sein, beispielsweise ausgebildet durch zwei Knicke mit gleichem Winkel, aber in entgegengesetzter Richtung geknickt.
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Der Kontaktbereich 8 erstreckt sich bis an den Seitenrand 12 des Bauelementkörpers 1, genauer bis an den Rand der Metallschicht 2. Allerdings ist zwischen dem Seitenrand 12 des Bauelementkörpers 1 beziehungsweise der Metallschicht 2 und einer Außenkonturlinie 7 des Kontaktbereichs 8 ein Abstand a vorgesehen. Die Außenkonturlinie 7 hat gerade Bereiche, die entlang gerader Bereiche des Seitenrands 12 des Bauelementkörpers 1 verlaufen, wobei die geraden Bereiche der Außenkonturlinie 7 durch abgerundete Ecken verbunden sind.
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Ferner weist der Kontaktbereich 8 zwei Löcher 9 auf, die durch einen stegförmigen Bereich 11 des Blechs voneinander getrennt sind.
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Die Löcher 9 haben jeweils eine Konturlinie 10, die entlang des stegförmigen Bereichs 11 weitgehend gerade verläuft und jenseits des stegförmigen Bereichs 11 gerundet verläuft, sodass die Aussparungen 9 kreissegmentförmig oder halbkreisförmig sind. Ein Kreissegment ist eine Teilfläche einer Kreisfläche, die von einem Kreisbogen und einer Kreissehne begrenzt wird.
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Es sei bemerkt, dass auch Ausführungsbeispiele (nicht dargestellt) mit nur einem Loch, beispielsweise rund oder oval, denkbar sind.
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2 zeigt die Rückseite eines Ausführungsbeispiels eines Bauelements mit einem Kontaktierungselement 3 dessen Form mit der des Kontaktbereichs 8 übereinstimmt. Die Außenkonturlinie 7 des Kontaktbereichs 8 hat gerade Bereiche, die entlang gerader Bereiche des Seitenrands 12 des Bauelementkörpers 1 verlaufen, wobei die geraden Bereiche der Außenkonturlinie 7 durch abgerundete Ecken verbunden sind. Ferner weist der Kontaktbereich 8 zwei kreissegmentförmige Aussparungen 9 auf, die durch einen blechernen stegförmigen Bereich 11 voneinander getrennt sind. An einer Seite des stegförmigen Bereichs 11 ist ein rechteckiger Blechbereich, der als Weiterkontaktierungsbereich 6 dient, und derart umgebogen ist, sodass er auf dem stegförmigen Bereich 11 liegt. Alternativ kann er so umgebogen sein, dass er unter dem stegförmigen Bereich 11 liegt. Durch die doppelte Blechlage von stegförmigem Bereich 11 und Weiterkontaktierungsbereich 6 entsteht ein erhabener Bereich zu Weiterkontaktierung auf der Rückseite des Bauelements. Der Weiterkontaktierungsbereich 6 kann beispielsweise 4,5 mm breit und 9 mm lang sein. Hinsichtlich seiner Breite kann der Bereich beispielsweise um 1,5 mm von der Mitte versetzt sein. Der erhabene Bereich zur Weiterkontaktierung mit doppelter Blechdicke, ebenso wie die Weiterkontaktierung 4, können hinsichtlich verschiedener Anforderungen, beispielsweise Kundenspezifikationen, optimiert und dimensioniert werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Breite des Weiterkontaktierungsbereichs 6 geringer als die Breite des stegförmigen Bereichs 11.
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Bisher bekannte Kontaktbereiche (nicht dargestellt), die beispielsweise ringförmig sind, erstrecken sich im Gegensatz zu den oben genannten Ausführungsbeispielen nicht in die Eckbereiche der Vorder- oder Rückseite des Bauelementkörpers, was mit einer schlechten Stromversorgung des relativ großen Eckbereichs durch den dafür vorgesehenen relativ kurzen Kreisabschnitt einhergeht. Ecken in der Außenkonturlinie bisheriger Kontaktbereiche (nicht dargestellt) führen zu einer Stromerhöhung, die dem gewünschten gleichmäßigen Stromübergang von Außenkontaktierung und Metallschicht entgegen steht. Dieser Effekt tritt auch beim Aufbiegen des Endes eines in das Loch hineinragenden Blechabschnitts an dessen Ecken auf.
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Die oben genannten Nachteile werden durch die Ausführungsbeispiele eines rechteckförmigen Kontaktbereichs 8 mit abgerundeten Ecken überwunden. Es ergeben sich Vorteile, da die Außenkonturlinie 7 im Vergleich zu runden Kontaktbereichen nach außen gezogen und damit ihre Formgebung der Form der Metallschicht 2 angepasst ist. Damit die Kupferschicht des Kontaktbereichs 8 nicht zu massiv oder materialintensiv ausgestaltet ist, ist zumindest ein Loch 9 im Innenbereich des Kontaktbereichs 8 vorgesehen. Durch die Variationen dessen Durchmessers kann der Materialaufwand für das Kontaktierungselement 3 angepasst werden. Eine kreisförmige Grundform des Lochs, oder einer Löcheranordnung mit einem oder mehreren stegförmigen Bereichen 11, ermöglicht eine optimierte Stromverteilung. Der stegförmige Bereich 11 dient bei größerem Innendurchmesser der Löcher dazu, den Innenbereich zusätzlich zu versorgen.
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Die verrundeten Ecken der Außenkonturlinie 7 verhindern Stromspitzen. Dieses Ziel wird auch erreicht, indem das aufgedoppelte Metallblech in den durchgehenden stegförmigen Bereich 11 integriert wird, so dass auch hier Ecken vermieden werden.
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Die 3 und 4 zeigen die Rückseiten weiterer Ausführungsbeispiele von Bauelementen, bei denen die Weiterkontaktierung durch einen Weiterkontaktierungsbereich 6 in Stegbreite ausgebildet ist, siehe 3, oder durch zwei Blechbereiche 6 halber Stegbreite geformt wird, die von gegenüberliegenden Seiten des stegförmigen Bereichs 11 auf diesen geklappt werden, siehe 4.
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Die Ausführungsbeispiele in den 2 bis 4 zeigen ferner, dass die Breite des stegförmigen Bereichs 11 variieren kann. 3 zeigt, dass die Löcher 9 nicht symmetrisch sein müssen, sondern als unterschiedlich große Kreissegmentabschnitte, beispielsweise mit gleichem Radius, geformt sein können.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kontaktierungselements 3 für die Vorderseite eines Bauelementkörpers 1, das sich vom Ausführungsbeispiel in 1 dadurch unterscheidet, dass die Orientierung des stegförmigen Bereichs 11 im Vergleich zur Orientierung der Weiterkontaktierung 4 nicht parallel sondern winkelig, in diesem Fall im 45-Grad-Winkel bzw. 135-Grad-Winkel, erfolgt.
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6A zeigt eine Aufsicht und 6B eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kontaktierungselements 3 dessen Weiterkontaktierung 5 an die Außenseite des Kontaktbereichs 8 stößt und im rechten Winkel umgebogen ist, sodass die Weiterkontaktierung 5 an der Seite des Bauelementköpers 1 positioniert ist.
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Der Kontaktbereich 8 ist vorteilhafterweise so dimensioniert, dass die maximale Strombelastung im Innen- und Außenbereich in etwa gleich ist.
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Für die Formgebung des Kontaktierungselements können folgende Designregeln angewandt werden:
2 / 3a ≤ R ≤ Rm 5 ≤ d / a ≤ 20 wobei die Variablen in
1 ersichtlich sind und folgende Bedeutung haben:
- a:
- Abstand zwischen Kontaktbereichsblech und Rand der Metallschicht
- Rm:
- Eckenradius der Metallschicht
- R:
- Eckenradius des Kontaktbereichsblechs
- d:
- Durchmesser des Innenlochs im Kontaktbereichsblech
- s:
- Stegbreite
- b:
- Gesamtbreite des Kontaktbereichs, d. h. Breite der Metallschicht abzüglich des doppelten Abstands a.
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Die Breite des stegförmigen Bereichs s ergibt sich aus den Vorgaben für den Weiterkontaktierungsbereich 6 mit doppelter Blechdicke. 3 und 4 zeigen Möglichkeiten den stegförmigen Bereich 11 auszurichten. In 2 wurde im Gegensatz zu 3 die Symmetrie wiederhergestellt. Für die Vorderseite wurde die Stegbreite identisch zu der in 2 gewählt.
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Bei einem blockförmigen Bauelement mit den beispielhaften Maßen 33 × 33 × 3 mm ergeben sich folgende beispielhaften Dimensionierungen:
a: 2,0 mm
Rm: 4,0 mm
R: 4,0 mm
d: 21,0 mm
s: 6,0 mm (1 und 2); 4,5 mm (+ 1,5 mm Versatz in 3); 9,0 mm (in 4)
b: 26,0 mm
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Es sei bemerkt, dass Merkmale der Ausführungsbeispiele kombinierbar sind. Ferner sind auch die Ausführungsbeispiele der gezeigten Kontaktierungselemente 3 für die Vorderseite mit denen für die Rückseite in einem Bauelement kombinierbar, sodass die Orientierung der stegförmigen Bereiche 11 auf Vorder- und Rückseite des Bauelements parallel, rechtwinkelig oder in einem beliebigen Winkel zueinander oder zur Orientierung der Weiterkontaktierung 4 erfolgen kann.
