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Befestigungsvorrichtung zur elektrisch isolierenden und wär-
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meleitenden Befestigung elektrischer Bauelemente an Kühlkörper Die
Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrichtung zur elektrisch isolierenden und
wärmeleitenden Befestigung elektrischer Bauelemente an Kühlkörper gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Eine solche Befestigungsvorrichtung ist aus der deutschen
Gebrauchsmusteranmeldung G 77 40 059.0 bekannt. Bei ihr ist ein mit dem elektrischen
Bauelement verbundenes Metallteil unter Zwischenlage von aus Berylliumoxid bestehenden
Verbindungselementen mittels aus Isoliermaterial bestehenden Schrauben mit einem
Kühlkörper verbunden.
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In elektrischen Geräten ergibt sich oft die Notwendigkeit, ein ein
Metallgehäuse aufweisendes elektrisches Bauelement, z.B. einen Leistungstransistor,
gut wärmeleitend, jedoch elektrisch isoliert an einem Kühlkörper zu befestigen.
Die Notwendigkeit der elektrischen Isolation ergibt sich daraus,
daß
das Metallgehäuse mit einem spannung führenden Leiter der elektrischen Schaltung
verbunden ist, der metallene Kühikörper aber geerdet und/oder von außen zugänglich
ist, so daß zwischen dem Metallgehäuse und dem Kühlkörper eine elektrische Spannung
auftritt. Dieser Fall tritt besonders bei der Anwendung von Leistungstransistoren
auf, bei denen die Kollektorelektrode mit dem Metallgehäuse verbunden ist. Ist die
das Metallgehäuse führende Spannung so hoch, daß bei ihrem übertritt auf von außen
zugängliche Metallteile, in diesem Fall der Kühlkörper, Menschen gefährdet sind,
so müssen gemäß der VDE-Bestimmung 0700 Teil 1/2.81 Schutzmaßnahmen getroffen werden.
Eine der möglichen Schutzmaßnahmen ist, das Gerät in Schutzklasse II auszuführen,
wobei die Isolation, in diesem Fall diejenige zwischen Metallgehäuse und Kühlkörper,
als verstärkte Isolierung auszubilden ist. Diese verstärkte Isolierung muß verschiedenen
Anforderungen genügen.
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So soll gemäß Abschnitt 19 der genannten VDE-Bestimmung die Sicherheit
gegen elektrischen Schlag auch bei unsachgemässer Handhabung aufrecht erhalten bleiben.
Ferner soll gemäß Abschnitt 22.20 sichergestellt sein, daß keine Teile bei der Montage
vergessen werden und dadurch die Isolierung unwirksam wird. Weiter wird im Abschnitt
22.22 gefordert, daß die Isolierung nicht durch lose Metallteile in ihrer Wirkung
eingeschränkt wird. Schließlich dürfen laut Abschnitt 28.1 Isolierstoffschrauben
nicht verwendet werden, wenn bei ihrem Ersatz durch Metallschrauben die Isolierung
beeinträchtigt wird.
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Den vorstehenden Anforderungen wird die aus der genannten Gebrauchsmusteranmeldung
bekannte Befestigungsvorrichtung u.a. wegen der Verwendung von Isolierstoffschrauben
nicht gerecht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungsvorrichtung
zur elektrischen und wärmeleitenden Befestigung elektrischer Bauelemente an Kühlkörper
anzugeben, die den
Anforderungen an eine verstärkte Isolierung gemäß
der genannten VDE-Bestimmung genügt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Befestigungsvorrichtung nach dem Patentanspruch
1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die Erfindung wird an Hand von in den Figuren la, 1b bis 4a, 4b dargestellten
Ausführungsbeispielen erläutert, wobei die einzelnen Ausführungsbeispiele wie folgt
den Patentansprüchen zugeordnet sind: Fig. 1a, lb: Anspruch 1 Fig. 2a,-2b: Anspruch
2 Fig. 3a, 3b: Anspruch 3 Fig. 4a, 4b: Anspruch 4 Es wird zunächst das Ausführungsbeispiel
nach den Figuren la und lb beschrieben. Die Bezugszeichen bedeuten: 1: Verbindungselement
2: elektrisches Bauelement 3: Kühlkörper 4, 5, 6, 7: erste Befestigungsmittel 8:
Lötöse 9: Anschlußdraht 10: Basisanschluß 11: Emitteranschluß 12: Durchführungslöcher
13, 14, 15: zweite Befestigungsmittel 16, 17: Sollbruchstellen Die erfindungsgemäße
Befestigungsvorrichtung besteht aus dem Verbindungselement 1, den ersten Befestigungsmitteln
4, 5, 6, 7 sowie den zweiten Befestigungsmitteln 13, 14, 15.
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Das Verbindungselement 1 ist aus wärmeleitfähiger, jedoch elektrisch
isolierender und dicht gesinterter Keramik hergestellt, z.B. aus Aluminiumoxid oder
Berylliumoxid. Das Verbindungselement 1 weist eine napfförmige Vertiefung auf, in
der sich das elektrische Bauelement 2 befindet, in diesem Beispiel ein Leistungstransistor
in einem TO-3-Gehäuse. Dieser Transistor ist mit den ersten Befestigungsmitteln,
bestehend aus den Schrauben 4, den Federringen 5, den Muttern 6 sowie den Scheiben
7 mit dem Verbindungselement 1 verbunden, welches zu diesem Zweck Durchgangslöcher
für die Schrauben 4 aufweist. Diese Durchgangslöcher sowie die napfförmige Vertiefung
bilden einen ersten Befestigungsbereich am Verbindungselement 1.
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Die Stifte 10 und 11 sind die Basis- bzw. Emitteranschlüsse des Transistors
2. Diese Stifte sind in nicht dargestellter Weise mit der elektrischen Schaltung
verbunden, deren Teil der Transistor 2 ist. Seine Kollektorelektrode ist, wie bei
Leistungstransistoren üblich, innerhalb seines Metallgenäuses mit diesem verbunden.
Um die Kollektorelektrode mit der elektrischen Schaltung zu verbinden, ist die Lötöse
8 und der in diese eingelötete Anschlußdraht 9 vorgesehen. Die Lötöse 8 ist mit
der Schraube 24, dem Federring 5, der Mutter 6 und der Scheibe 7 mit dem Metallgehäuse
des Transistors 2 verbunden. Der Anschlußdraht 9 ist durch eines der Durchführungslöcher
12 geführt und in nicht näher dargestellter Weise mit der elektrischen Schaltung
verbunden.
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Die Schrauben 13, die Einlegemuttern 14 sowie die Federringe 15 bilden
die zweiten Befestigungsmittel, mit denen der metallene Kühlkörper 3 mit dem Verbindungselement
1 verbunden ist. Dazu weist es Sacklöcher, in die die Schrauben 13 hineinreichen,
sowie sich quer zu den Sacklöchern erstreckende Ausnehmungen zur Aufnahme der Einlegemuttern
14 auf. Diese Sacklöcher, diese Ausnehmungen und die Fläche, an welcher der Kühlkörper
3 am Verbindungselement 1 anliegt, bilden
einen zweiten Befestigungsbereich.
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Zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungsbereich bestehen innerhalb
des Verbindungselementes 1 keinerlei Kanäle, in die unbemerkt Metallteile gelangen
können, wodurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Metallgehäuse des
Transistors und des Kühlkörpers geschaffen werden könnte.
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Die Forderung laut Abschnitt 28.1 der genannten VDE-Bestimmung ist
also auch erfüllt, wenn die Schrauben 4 und 13 aus Metall bestehen.
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Durch die Anordnung der Ausnehmungen für die Einlegemuttern 14 an
den Rand des Verbindungselementes 1 entstehen die Soll bruchstellen 16 und 17, an
denen das Verbindungselement 1 bei mechanischer überlastung z.B. durch unsachgemäße
Handhabung bricht. Dadurch wird erreicht, daß der erste Befestigungsbereich bei
einer unsachgemäßen Handhabung unbeschädigt bleibt und das elektrische Bauelement
2 weiterhin vom Kühlkörper elektrisch isoliert ist. So ist der Forderung nach Abschnitt
19 der genannten VDE-Bestimmung entsprochen.
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Durch den Einbau des elektrischen Bauelementes 2 in eine napfförmige
Vertiefung sowie Wahl großer Abstände zwischen dem Kühlkörper 3 und dieser Vertiefung
und den Köpfen der Schrauben 4 wird der Forderung nach den Abschnitten 29 (Kriech-
und Luftstrecken) und 22.22 entsprochen.
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Die erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung hat gegenüber der bekannten
Befestigungsvorrichtung den Vorteil, daß metallene Befestigungsmittel verwendet
werden können und dadurch eine hohe mechanische Festigkeit erreicht wird. Ferner
ermöglichen die metallenen Befestigungsmittel hohe Anpreßkräfte zwischen dem Verbindungselement
1 und dem elektrischen Bauelement 2 bzw. dem Kühlkörper 3, wodurch eine gute Wärmeleitung
erzielt wird.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung
ist, daß auch bei der versehentlichen Verwendung zu langer Befestigungsmittel die
elektrische Isolation zwischen dem elektrischen Bauelement 2 und dem Kühlkörper
3 nicht beeinträchtigt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß Löcher bzw. Ausnehmungen
zur Aufnahme von Befestigungsmitteln sich in ihrer Längsachse quer zur Richtung
von einem zum anderen Befestigungsbereich erstrecken. Dies ist bei den Löchern für
die Schrauben 4 der Fall. Wenn sich aber die Längsachsen der Löcher in Richtung
zum anderen Befestigungsbereich erstrecken, sind sie als Sacklöcher ausgebildet,
wie es bei den Löchern für die Schrauben 13 der Fall ist.
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Es wird nun eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung
gemäß dem Patentanspruch 2 anhand eines in den Figuren 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispieles
erläutert. Der Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1a
und 1b besteht darin, daß die napfförmige Vertiefung und die Ausnehmungen für die
Einlegemuttern 14 durch einen Isolierstoffdeckel 18 abgedeckt sind. Dieser Isolierstoffdeckel
wird mit den Schrauben 19, den Federringen 20 und den Muttern 21 an dem Verbindungselement
22 befestigt, welches sich von dem zuvor beschriebenen Verbindungselement 1 nur
dadurch unterscheidet, daß es Durchgangslöcher für diese Schrauben aufweist. Auch
diese Durchgangslöcher erstrecken sich quer zur Richtung vom ersten zum zweiten
Befestigungsbereich, so daß auch hier Metallschrauben verwendet werden ohne die
Isolierung zwischen elektrischem Bauelement und Kühlkörper zu gefährden. Diese Weiterbildung
hat den Vorteil, daß die Isolierung zwischen dem elektrischen Bauelement 2 und dem
Kühlkörper 3 noch besser als im ersten Ausführungsbeispiel gegen Beeinträchtigung
geschützt ist.
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Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3a und 3b ist die Befestigungsvorrichtung
so weitergebildet, daß sie und mit ihr das elektrische Bauelement 2 auf einer Leiterplatte
23 montiert
werden kann. Dazu sind dritte Befestigungsmittel vorge
sehen, welche die Schrauben 24, die Federringe 25, die Scheiben 26 und die Muttern
27 umfassen. Mit diesen dritten Befestigungsmitteln ist die Leiterplatte 23 mit
dem Verbindungselement 28 verbunden, welches sich von dem Verbindungselement des
zweiten Ausführungsbeispiels nur dadurch unterscheidet, daß es Durchgangslöcher
und Senkungen für die Schrauben 24 und eine Fläche zur Anlage an die Leiterplatte
23 aufweist.
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In diese Fläche ist eine Mulde eingearbeitet, in der sich die Köpfe
der Schrauben 4 befinden und in der die Durchführungslöcher 12 enden. So werden
diese Köpfe sowie das leiterplattenseitige Ende des Anschlußdrahtes 9 durch die
Leiterplatte 23 abgedeckt. Dadurch wird verhindert, daß durch irgendwelche Metallteile
eine elektrische Verbindung zwischen einem dieser Köpfe und dem Kühlkörper 3 entsteht
und damit die Isolierung zwischen dem elektrischen Bauelement 2 und dem Kühlkörper
3 beeinträchtigt wird.
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Da das transistorseitige Ende des Anschlußdrahtes schon durch den
Isolierstoffdeckel abgedeckt ist, wird durch die obige Weiterbildung eine vollständige
Abdeckung des Anschlußdrahtes 9 erreicht, so daß auch bei seiner Ausführung als
blanker Draht keine Gefahr der Beeinträchtigung der Isolierung durch seine Berührung
mit Metallteilen besteht.
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Die Befestigungsvorrichtung nach den Figuren 4a und 4b unterscheidet
sich von den zuvor beschriebenen dadurch, daß das Verbindungselement 29 Kühlrippen
30 aufweist. Durch diese Kühlrippen wird das elektrische Bauelement 2 zusätzlich
gekühlt.