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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sicherungselement mit einer Auslöseunterstützung, wie es beispielsweise zur Absicherung von elektronischen Bauteilen auf mit elektronischen Bauteilen bestückten Platinen verwendet werden kann.
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Eine in der Elektronik speziell unter Sicherheitsaspekten immer wichtiger werdende Aufgabenstellung ist, wie sich einzelne Bauelemente oder Schaltungsteile im Fehlerfall gezielt, dauerhaft und möglichst kostengünstig stilllegen lassen, um so größere Folgeschäden zu verhindern. So werden z. B. Leistungshalbleiter heutzutage in großem Umfang zum Schalten elektrischer Lasten wie Lampen, Ventile, Motoren, Heizungselemente usw. eingesetzt, darüber hinaus werden sie in zunehmendem Maße aber auch im Bereich des Leistungsmanagements zum Abschalten einzelner Schaltungsteile, um z. B. den Energieverbrauch batteriebetriebener Geräte zu reduzieren, eingesetzt.
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Die beiden typischen Anordnungen eines Schalters und eines Stromverbrauchers sind dabei in 20 dargestellt. In 20 ist ein Versorgungsspannungsanschluss 2 gezeigt, eine Schmelzsicherung 4, eine Strom verbrauchende Last 6 und ein Leistungsschalter 8. Die Schmelzsicherung 4, die Last 6 und der Leistungsschalter 8 sind entlang einer Stromflussrichtung 10 in Reihe zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 2 und Masse geschalten. Abhängig davon, ob der Leistungsschalter 8 entlang der Stromflussrichtung 10 näher am Versorgungsspannungsanschluss 2 liegt als die Last 6, spricht man von einem Highside- oder Lowside-Schalter, wobei man dann von einem Highside-Schalter spricht, wenn der Leistungsschalter 8 entlang der Stromflussrichtung 10 näher am Versorgungsspannungsanschluss 2 angeordnet ist als die Last 6. Damit im Leistungsschalter 8 nur eine geringe Verlustleistung erzeugt wird, ist wichtig, dass der Leistungsschalter 8 im EIN-Zustand einen sehr viel geringeren elektrischen Widerstand als die Last 6 aufweist. Für Niederspannungsanwendungen haben sich als elektronische Schalter Leistungs-MOSFETs weitgehend durchgesetzt. Die in den letzten Jahren sehr rasante Entwicklung in Richtung immer niedrigerer spezifischer Durchlasswiderstände (RDS(on) × A) hat es dabei ermöglicht, dass heute Ströme von vielen Ampere mit direkt auf einer Leiterplatte montierten Halbleiterschaltern und ohne spezielle Kühlmaßnahmen beherrschbar sind.
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Ein weiteres wichtiges Problemfeld umfasst direkt an der Versorgungsspannung liegende sicherheitskritische Bauelemente. Dazu zählen alle Bauelemente, die am Lebensdauerende, bei Überlastung oder vorzeitigem Ausfall mit hoher Wahrscheinlichkeit niederohmig werden. Dies betrifft insbesondere Varistoren, Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCC) und Tantal-Elektrolytkondensatoren, wie sie in 21 dargestellt sind. 21 zeigt eine Auswahl solcher sicherheitskritischer Bauelemente, die durch eine gemeinsame Schmelzsicherung abgesichert sind. Gezeigt ist ein Versorgungsspannungsanschluss 20, eine Schmelzsicherung 22, eine Steckverbindung bzw. ein Kabelanschluss 24, ein Varistor 26, ein Keramik-Vielschichtkondensator 28 und ein Tantal-Elektrolytkondensator 30. Die Schmelzsicherung 22 und die Steckverbindung 24 sind in Reihe zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 20 und einen Schaltungsknoten 32 geschalten. Der Varistor 26, der Keramik-Vielschichtkondensator 28 und der Tantal-Elektrolytkondensator 30 sind parallel zueinander zwischen den Schaltungsknoten 32 und Masse geschalten. Im funktionstüchtigen Zustand besitzen der Keramik-Vielschichtkondensator 28, der Tantal-Elektrolytkondensator 30 und der Varistor 26 im gesamten zulässigen Betriebsspannungs- und Betriebstemperaturbereich einen vernachlässigbaren Leckstrom und damit eine vernachlässigbare statische Verlustleistung. Steigt jedoch der Leckstrom im Fehlerfall an, oder tritt speziell bei Keramik-Vielschichtkondensatoren ein Plattenkurzschluss – z. B. aufgrund eines durch mechanischen Stress verursachten Bruchs – auf, so steigt die statische Verlustleistung sehr stark an und kann zu einer extremen Überhitzung eines Bauelements führen, da nun ein hoher Stromfluss durch das Bauelement möglich wird ohne dass die Sicherung 22 auslöst. Sicherheitskritisch sind dabei auch im Stromkreis liegende Steckverbindungen oder Kabelanschlüsse 24, wenn diese im Normalfall sehr niederohmigen Elemente – z. B. durch Verschmutzung oder Alterung – hochohmiger werden oder einen Leckstrom aufweisen, sodass die Verlustleistung und damit die Temperatur an diesen Bauteilen weit über das zulässige Maß hinaus ansteigen kann.
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Das Problem einer starken lokalen Erhöhung der Betriebstemperatur ergibt sich auch für einen Leistungsschalter, wie er in 20 gezeigt ist. Ein Problem entsteht dabei dann, wenn durch Fehler im Halbleiterschalter oder in dessen Ansteuerung kein vollständiges Ein- oder Ausschalten mehr erfolgt oder möglich ist. Der Schalter erreicht dann weder seinen niedrigen nominellen Durchlasswiderstand noch seinen hochohmigen AUS-Zustand. Damit steigt die Verlustleistung im Schalter sehr stark an. Im schlimmsten Fall der Leistungsanpassung, d. h. wenn der Durchlasswiderstand des Schalters den Bereich des Werts des Lastwiderstandes erreicht, kann die Verlustleistung im Schalter auf bis zu einem Viertel der Lastnennleistung ansteigen – bei nicht-linearen Lasten, wie z. B. Glühlampen, sogar auf noch höhere Werte. Dies soll im Folgenden anhand eines Beispiels verdeutlicht werden. In einem Leistungs-MOSFET mit einem Durchlasswiderstand von 10 mΩ, der als Schalter für eine Last von 120 W an 12 V eingesetzt wird, entsteht im Nennbetrieb eine Verlustleistung von 1 W. Auf diese Verlustleistung wird man die Kühlung des MOSFETs in einer konkreten Schaltung auslegen. Steigt jedoch durch einen Fehler (z. B. in der Ansteuerung) der Durchlasswiderstand an, so kann die Verlustleistung im Schalter Werte von bis zu 30 W erreichen, wenn im Fehlerfall der Durchlasswiderstand des Leistungs-MOSFETs dieselbe Größe hat, wie der Ohmsche Widerstand der Last. Bei einer auf 1 W ausgelegten Kühlung führt dies sehr schnell zu gefährlich hohen Temperaturen bis hin zu einer Brandgefährdung z. B. der Leiterplatte.
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Zur Absicherung gegen Schäden durch zu hohe Ströme werden überwiegend stromauslösende Schmelzsicherungen eingesetzt, wobei diese in den unterschiedlichsten Bauformen und Auslösecharakteristiken erhältlich sind. Die üblichen stromauslösenden Schmelzsicherungen können einen Fehlerfall eines Leistungsschalters 8, wie er oben beschrieben ist, nicht abfangen, da in der Schaltung in 20 ja keinerlei Überstrom auftritt. Die Last 6 begrenzt den Strom immer auf einen Wert, der den Nennbetriebsstrom nicht übersteigt, sodass die an der Schmelzsicherung 4 anfallende Verlustleistung zu gering ist, um das Material der Schmelzsicherung zum Schmelzen zu bringen und den Stromkreis zu unterbrechen. Auch bei größeren, zentral abgesicherten Baugruppen, wie sie beispielsweise in 21 dargestellt sind, besteht das Problem, dass der in einem Fehlerfall auftretende Strom an zum Beispiel dem Keramik-Vielschichtkondensator 28 einerseits ausreicht, um an dem Keramik-Vielschichtkondensator 28 lokal eine extreme Übertemperatur zu erzeugen, der Strom andererseits aber nicht einen Wert erreicht, der hoch genug ist, um eine zentral angeordnete Schmelzsicherung 22 zum Auslösen zu bringen. Als Überstromschutz finden neben den Schmelzsicherungen auch Kaltleiter (PTC) auf Keramik- oder Polymerbasis (z. B. Poly-SwitchTM) breite Anwendung. Tritt jedoch, wie bei dem zuvor beschriebenen Fehlerfall, kein Überstrom auf, so sind auch diese Sicherungen als Schutzelemente ungeeignet. Aufgrund der Baugröße, der hohen Kosten und insbesondere der Auslösecharakteristiken sind Kaltleiter zur Absicherung vieler sicherheitskritischer Bauelemente nicht geeignet.
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Bei Kondensatoren kann der Betriebswechselstrom (Rippelstrom) deutlich über dem zu fordernden Auslöse-Gleichstrom liegen, eine Absicherung ist dann mit einem PTC-Element und einer klassischen Schmelzsicherung prinzipiell nicht möglich. Räumlich sehr nahe am abzusichernden Bauteil platzierte PTC-Elemente würden die Aufgabe, bei starker lokaler Temperaturerhöhung einen Stromfluss zu unterbrechen, zwar prinzipiell erfüllen, für die meisten Anwendungen sind diese Elemente allerdings nicht niederohmig genug bzw. zu teuer.
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Zur Absicherung gegen Überhitzung kann ebenfalls ein Temperaturschalter (z. B. ein Bimetall-Schalter) verwendet werden, jedoch sind diese zu voluminös für den Einsatz auf modernen SMD-bestückten Baugruppen und für eine Absicherung jedes einzelnen sicherheitskritischen Bauteils zu teuer. Bedrahtete Temperatursicherungen werden z. B. in Kaffeemaschinen oder Bügeleisen eingesetzt. Bei den bedrahteten Temperatursicherungen werden zwei unter mechanischer Vorspannung montierte Stromkontakte durch Schmelzen eines Sicherungsmaterials von ihrer vorgespannten Position freigegeben, wobei durch das Entspannen der Kontakte die Kontakte räumlich voneinander getrennt werden. Aufgrund dieses Konstruktionsprinzipes sind die bedrahteten Temperatursicherungen zu voluminös für den Einsatz auf modernen Baugruppen.
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Zur Absicherung von Schaltungen gegen Übertemperatur werden darüber hinaus auch Temperatursensoren eingesetzt, wobei durch diese Art der Überwachung für oben beschriebene Fehlerszenarien eines sicherheitskritischen Bauelements keine Schutzfunktion erreichbar ist. Das bloße Erkennen einer Übertemperatur an einem nicht mehr steuerbaren Halbleiterschalter nützt nichts, da der Stromfluss durch Eingriff in die Steuerspannung des defekten Schalters nicht mehr unterbrochen werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit zur Überwachung von Schaltungen besteht im Einsatz eines Crowbar-Schalters, wobei man unter einem Crowbar-Schalter einen leistungsfähigen Kurzschlussschalter versteht, der in der Lage ist, eine vorhandene Zentralsicherung auszulösen, indem er einen Strompfad gegen Masse kurzschließt und somit einen Stromfluss in der Schaltung hervorruft, der hoch genug ist, eine Schmelzsicherung zum Schmelzen zu bringen. Aufgrund der hohen Kosten und des erforderlichen hohen Platzbedarfs sind Crowbar-Lösungen nicht für dezentrale Schutzmaßnahmen geeignet, wo eine Vielzahl von sicherheitskritischen Bauelementen einzeln abgesichert werden soll. Ein zentral angebrachter Crowbar-Schalter schränkt jedoch die möglichen Einsatzfelder sehr stark ein, da es in vielen Anwendungen nicht tolerierbar ist, (im Fehlerfall das Gesamtsystem – anstelle z. B. nur eines einzigen Laststrompfades – stillzulegen.
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Für die Absicherung elektrischer Bauelemente existieren eine Reihe von Ansätzen. So zeigt beispielsweise die britische Patentanmeldung
GB 2205455 A , wie mittels eines auf einem Substrat aufgebrachten schmelzfähigen Leitungsstücks ein Stromfluss durch einen unmittelbar benachbarten Flächenwiderstand unterbrochen werden kann, wenn dieser aufgrund einer zu hohen Stromstarke eine zu große Verlustleistung produziert. Dabei müssen sich der flächige Widerstand und das Sicherungselement in thermischer Kopplung zum Leitungsstück befinden.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 3610886 A1 beschreibt, wie auf einer Leiterplatte zwei Anschlüsse, zwischen denen ein nicht-leitender Bereich besteht, mittels eines schmelzfähigen Materials so miteinander verbunden werden konnen, dass eine Sicherungswirkung dann erzielt wird, wenn an der Leiterplattenoberfläche eine Übertemperatur auftritt. Dabei wird insbesondere beschrieben, dass es vorteilhaft sein kann, in unmittelbarer Umgebung des Schmelzmaterials ein Flussmittel auf der Leiterplatte anzubringen.
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Die internationale Patentanmeldung
WO 2004/002202 A1 zeigt eine Leiterplatte, auf der in stromfuhrenden Leitungen Unterbrechungen vorgesehen sind, die mittels einer Schmelzsicherung überbrückt werden können. Dabei muss die Schmelzsicherung einen Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger ist als der Schmelzpunkt des Leiterplattenmaterials und der Leiterbahnen der Leiterplatten.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2004 025 420 A1 zeigt eine Schmelzsicherung, deren Auslösung künstlich herbeigefuhrt werden kann, indem mittels eines externen Schaltungselements die Verlustleistung durch die Schmelzsicherung sprungartig erhöht werden kann.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 0510900 A2 zeigt, wie auf einer Leiterplatte eine schmelzende Sicherung zwischen zwei leitenden Bereichen der Leiterplatte realisiert werden kann, wenn als schmelzfähige Verbindung der Sicherung ein Material zum Einsatz kommt, das im geschmolzenen Zustand eine geringere Oberflachenenergie als die Oberflächenenergie des Materials der leitenden Bereiche aufweist. Weist das geschmolzene Material im geschmolzenen Zustand zusätzlich eine größere Oberflächenenergie als die Oberflächenenergie des Materials zwischen den leitenden Bereichen auf, kann ein zuverlassiges Trennen der Sicherung erzielt werden.
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Das japanische Patent
JP 11213852 A befasst sich mit einem SMD-Sicherungselement, bei dem das schmelzende Material gegen Oxidation dadurch geschützt ist, dass die Oberfläche des schmelzfähigen Materials mit Flussmittel und anderen Schutzschichten bedeckt ist.
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Das japanische Patent
JP 2000323308 A beschreibt eine Weiterentwicklung des oben beschriebenen SMD-Sicherungselements, die einen zusätzlichen Schutz durch weitere das Sicherungselement bedeckende Schutzschichten erfährt.
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Die japanische Patentanmeldung
JP 2003288827 A befasst sich ebenfalls mit SMD-Sicherungen des vorher beschriebenen Typs, wobei ein Verfahren beschrieben ist, das die Produktion und das Anbringen der Sicherungselemente auf PCBs erleichtert.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10334433 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Unterbrechen des Stromflusses von bzw. zu einem Halbleiterkorper, wobei der Stromfluss innerhalb eines Chipgehäuses unterbrochen wird. Dabei kommt insbesondere ein Bonddraht zum Einsatz, der aus schmelzfähigem Material besteht und darüber hinaus mit Mitteln versehen sein kann, die das Auslösen der Sicherung beschleunigen konnen.
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Die
DE 19920475 A1 offenbart eine oberflächenbefestigte Chipschutz-Schmelzsicherung mit zwei Materialteilanordnungen. Die erste Teilanordnung umfasst eine schmelzbare Verbindung und die zweite Teilanordnung umfasst eine schützende Schitz, um Schutz gegen Stoß und Oxidation zu bieten.
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Darüber hinaus sind beispielsweise aus KLEIN WASSINK: Weichlöten in der Elektronik, zweite Auflage, SAULG./WÜRTT.: Eugen G. Leuze Verlag, 1991, S. 211–212, ISBN 3-87480-066-0 eine Vielzahl von geeigneten Schmelzmaterialen bekannt, die sich unter Anderem auch zum Verlöten eignen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Schaltung zu schaffen, mit der ein Stromverbraucher gegen ein durch eine Fehlfunktion hervorgerufenes Überhitzen kostengünstig und effizient abgesichert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Stromverbraucher, der bei einer Fehlfunktion eine vorbestimmte Wärmemenge erzeugt bzw. einen Überstrom hervorruft, bei Fehlfunktion schnell und zuverlässig vom Strom getrennt werden kann, wenn ein Sicherungselement verwendet wird, bei dem eine leitende Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusspunkt durch ein bei einer vorbestimmten Temperatur schmelzendes Material getrennt wird, und wenn das Sicherungselement zusätzlich eine Unterstützungseinrichtung enthält, die das Entfernen des geschmolzenen Materials zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspunkt unterstützt.
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Beispielhaft ist die Sicherung so beschaffen, dass sich innerhalb des schmelzenden Materials der Sicherung oder als Beschichtung desselben ein Flussmittel befindet, welches das Abfließen des geschmolzenen Materials aus dem Bereich der Sicherung und somit das Auslösen der Sicherung beschleunigt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das schmelzende Material der Sicherung vollständig von einer Hülle aus Flussmittel umgeben, sodass diese dabei zusätzlich als Oxidationsschutz dient und das schmelzende Material vor Oxidation schützt, sodass die Funktionsfähigkeit der Sicherung über große Zeiträume hinweg gesichert wird.
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In einem weiteren Beispiel wird das Auslösen der Sicherung dadurch unterstützt, dass das schmelzende Material durch Ausüben einer zusätzlichen Kraft auf das schmelzende Material beschleunigt entfernt wird und die Sicherung dadurch schnell und zuverlässig auslösen kann. Die Kraft ist dabei vorteilhaft so zu dimensionieren, dass das ungeschmolzene Material nicht entfernt wird, bei Beginn des Schmelzvorganges jedoch das Auslösen derart unterstützt wird, dass die Sicherung schnell und vollständig auslöst.
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Die Unterstützung des Auslösens einer Sicherung kann auch im Fall einer stromauslösenden Schmelzsicherung vorteilhaft sein, jedoch ist die Auslöseunterstützung besonders für die oben geschilderte Temperaturauslösung einer Sicherung von großem Vorteil. Im Allgemeinen wird die Temperatur bei einer Fehlfunktion eines Bauteils am Ort der Sicherung nicht so rasch ansteigen, wie dies für einen Anstieg eines fehlerinduzierten Fehlerstroms der Fall ist. Das Schmelzen des Materials wird also auf vergleichsweise großen Zeitskalen zu beobachten sein. Um zu verhindern, dass lokal am Ort des abzusichernden Bauteils hohe Übertemperaturen auftreten, während die Sicherung noch nicht ausgelöst hat, ist es besonders vorteilhaft, das vollständige Auslösen der Sicherung durch ausüben einer zusätzlichen unterstützenden Kraft herbeizuführen, sobald das Schmelzen des Sicherungsmaterials einsetzt.
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In einem weiteren Beispiel der Sicherung wird dazu das schmelzende Material der Sicherung durch Blähstoffe mit einer zusätzlichen Kraft beaufschlagt, bzw. das Entfernen des Materials wird durch Zünden eines Explosivstoffes stark beschleunigt. Zusätzlich zur Schwerkraft und Oberflächenspannung wird das Entfernen des Sicherungsmaterials also durch weitere externe Kräfte beschleunigt, die sich durch geeignete Wahl der Geometrien und der verwendeten Materialien zusätzlich an die gewünschte Auslösecharakteristik anpassen lassen, was die Schutzmöglichkeiten stark erweitert.
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In einem weiteren Beispiel ist das Sicherungselement mit der Vorrichtung zum Unterstützen des Auslösens der Sicherung gemeinsam als SMD Bauteil ausgeführt, was den großen Vorteil hat, dass es durch Standard-SMT-Produktionsverfahren und somit unter Benutzung existierender Prozesse und Produktionsanlagen möglich ist, viele sicherheitskritische Komponenten auf einen Schaltungsträger einzeln und kostengünstig auch gegen Übertemperatur abzusichern.
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In der vorliegenden Erfindung ist das schmelzende Material der Sicherung auf einem Trägermaterial angebracht, wobei das Trägermaterial an dem Ort des schmelzenden Materials die Eigenschaft besitzt, das schmelzende Material abzustoßen. Dadurch wird das Trennen der Sicherung unterstützt, da durch die abweisende Eigenschaft des Trägermaterials das geschmolzene Material der Sicherung nach dem Schmelzen aus dem stromführenden Bereich entfernt wird. Diese Ausführungsform ermöglicht besonders kostengünstige Designs, bei denen beispielsweise die abstoßenden Materialschicht direkt auf einer Leiterplatte (PCB) während der Herstellung derselben aufgebracht wird.
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In einem Beispiel ist das schmelzende Material der Sicherung auf einem Trägermaterial angebracht, wobei das Trägermaterial an dem Ort des schmelzenden Materials einen Spalt oder eine Vertiefung aufweist. Durch das innerhalb des Tragers frei werdende Volumen wird zum einen ermöglicht, dass das geschmolzene Material vollständig aus dem stromführenden Bereich in das Volumen abfließen kann, sodass eine vollstandig getrennte Sicherungsstrecke entsteht, zum anderen wird durch Kapillarkräfte das Trennen der Sicherung zusätzlich unterstützt, indem eine Kapillarkraft zusätzlich zur Schwerkraft und der Oberflächenspannung auf das geschmolzene Material der Sicherung wirkt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind ein Schalter bzw. ein Stromverbraucher und die Sicherung auf einem gemeinsamen Schaltungsträger so angeordnet, dass die Sicherung und der Schalter thermisch miteinander gekoppelt sind, d. h. dass die an dem Schalter erzeugte Wärmeenergie durch Wärmeleitung auf die Sicherung übertragen wird. Das Auslösen der Sicherung erfolgt durch Schmelzen eines geeigneten Materiales, wobei sichergestellt ist, dass das geschmolzene Material aus dem elektrisch leitenden Bereich der Sicherung abfließt oder entfernt wird, sodass die Stromzufuhr zu dem Schalter auf diese Weise von der Sicherung unterbrochen wird. Durch die so gewählte Anordnung von Sicherung und Schalter ist das Auslösen der Sicherung von der an dem Schalter erzeugten Wärmeenergie und nicht von der an dem Sicherungselement erzeugten Verlustleistung bzw. dem durchfließenden Strom abhängig, wie es bei herkömmlichen Schmelzsicherungen der Fall ist.
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Daraus ergibt sich eine Fülle neuer Anwendungsgebiete gegenüber dem Einsatz einer herkömmlichen Schmelzsicherung, und man hat darüber hinaus die Möglichkeit, durch eine geeignete Wahl des Materials der Sicherung die Temperatur, bei der die Sicherung auslösen soll, in weiten Grenzen frei zu bestimmen. Dies kann ausgenutzt werden, um das System aus Sicherung und elektrischem Verbraucher auf den gewünschten Absicherungszweck hin zu optimieren. Dadurch, dass die Wärmeenergie, die das Material der Sicherung zum Schmelzen bringt, nicht durch die Verlustleistung an der Sicherung selbst erzeugt wird, kann als schmelzendes Material der Sicherung ein Material mit deutlich geringerem elektrischen Widerstand gewählt werden, als dies bei herkommlichen Schmelzsicherungen der Fall ist. Die Sicherung trennt bei Überschreiten einer kritischen Temperatur, der Auslösetemperatur, den Strompfad selbstständig und irreversibel ohne dabei eine Unterstützungseinrichtung, wie einen Crowbar-Schalter oder einen Temperatursensor zu benötigen.
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Ein in der elektrischen Schaltung befindliches erfindungsgemäßes Sicherungselement kann in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden, wobei die Sicherung nur einen geringen Platz auf der elektrischen Schaltung beansprucht, sodass elektrische Schaltungen ermöglicht werden, in denen eine Vielzahl von sicherheitskritischen Bauteilen einzeln abgesichert werden können. Dadurch ist es im Gegensatz zu einer zentralen Absicherung durch eine Schmelzsicherung möglich, Schaltungen zu konstruieren, deren Funktionalität bei Ausfall eines einzelnen sicherheitskritischen Bauteils teilweise erhalten bleibt, und die somit eventuell einen Notbetrieb ermöglichen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der Stromverbraucher und die Sicherung gemeinsam auf einem Schaltungsträger wie beispielsweise einer Platine montiert, wobei die Sicherung und der Stromverbraucher durch eine Leiterbahn elektrisch leitend miteinander verbunden werden und die Leiterbahn an einer Stelle unterbrochen ist, an der die Unterbrechung elektrisch leitend von der Sicherung überbrückt wird. Dabei ist das schmelzende Material der Sicherung unmittelbar bei der Herstellung der Leiterplatte, beispielsweise durch ein Druckverfahren, als eine Schicht auf der Leiterplatte aufgebracht, sodass sich während der Herstellung der Leiterplatte kostengünstig und effizient eine Vielzahl von Sicherungen auf der Leiterplatte anbringen lassen.
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In einer anderen Ausführungsform ist die elektrische Schaltung mit dem Stromverbraucher und der Sicherung in einem Gehäuse kombiniert, sodass die erfindungsgemäße elektrische Schaltung als ein einzelnes diskretes Bauteil ausgeführt ist. Dabei ist das zu sichernde Bauteil, wie z. B. ein Kondensator, innerhalb des Gehäuses angeordnet, wobei das Gehäuse zum Verbinden mit einer Leiterplatte ein oder mehrere Anschlussbeinchen aufweist. Das oder die stromführenden Anschlussbeinchen sind dabei aus dem schmelzenden Material der Sicherung hergestellt. Der große Vorteil besteht darin, dass die abzusichernden Bauteile die Sicherung selbst bereits umfassen, sodass für eine effiziente Absicherung einer Leiterplatte während der Design- oder Bestückungsphase keine zusätzlichen Arbeitsschritte mehr anfallen. Auf dieselbe Art und Weise kann ein in einem leiterplattenmontierbaren Gehäuse befindlicher Chip geschützt werden. Der Chip, der sich in einem aus isolierenden Material befindlichen Gehäuse befindet, wird durch die Kontakte eines Leadframes mit den auf der Leiterplatte befindlichen Kontaktpunkten verbunden. Wird bei der Produktion des Leadframes das Anschlussbein des Leadframes, das den Stromversorgungsanschluss des Chips bildet, aus dem schmelzenden Material der Sicherung gefertigt, lässt sich auf einfache Art und Weise der Chip gegen Fehlfunktion und Überhitzung absichern.
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Der besondere Vorteil besteht dabei darin, dass durch Konstruktion nur eines Leadframes mehrere Chiptypen, die in der gleichen Gehäuseform angeboten werden, gegen Überhitzung abgesichert werden können und darüber hinaus diese Absicherung bei der Bestückung einer Leiterplatte keinen zusätzlichen Arbeitsaufwand verursacht.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele und einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung bzw. andere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 Schaltung zur gleichzeitigen Absicherung mehrerer Verbraucher in Highside-Konfiguration.
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2 Schaltung zur individuellen Absicherung mehrerer Verbraucher in Highside-Konfiguration.
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3 Schaltung zur gemeinsamen Absicherung mehrerer Verbraucher in Lowside-Konfiguration.
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4 Schaltung zur individuellen Absicherung mehrerer Verbraucher in Lowside-Konfiguration.
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5 Schaltung zur individuellen Absicherung mehrerer sicherheitskritischer Bauteile, die direkt an die Versorgungsspannung angeschlossen sind.
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6 Sicherung zum Einsatz in einer Absicherungsschaltung.
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7 Sicherung als SMD-Bauteil zum Einsatz in einer Absicherungsschaltung.
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8 Vorrichtung zum Produzieren der diskreten Sicherung aus 7.
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9 Sicherung mit einer das schmelzende Material überdeckenden Schutzschicht.
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10 Sicherung mit in das schmelzende Material eingearbeitetem Flussmittel.
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11 Erfindungsgemäße Sicherung als SMD-Bauteil mit keramischem Träger.
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12 Absicherungsschaltung mit direkt auf einem Schaltungstrager aufgebrachter anderer Sicherung.
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13 Gehäuster Leistungsschalter als Beispiel für einen Stromverbraucher mit integrierter anderer Sicherung.
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14 Gehäustes Bauteil mit integrierter anderer Sicherung.
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15 Absicherungsschaltung zur Absicherung eines mehrkanaligen Leistungsschalters.
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16 Leiterbahnanordnung zur Montage einer Sicherung in einer Absicherungsschaltung.
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17 Auf einem Schaltungsträger realisierte Absicherungsschaltung mit Vorrichtung zum Unterstützen des Auslösens der Sicherung.
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18 Sicherungs- und Stromverbraucherabschaltungsträger, mit geeigneter mechanischer Unterstützungsvorrichtung zum Beschleunigen des Auslösens der Sicherung.
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19 Sicherung und Stromverbraucher auf einem gemeinsamen Schaltungsträger mit zusätzlichem, das Auslösen der Sicherung beschleunigendem Unterstützungsmaterial.
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20 Schaltung eines Leistungsschalters in Highside- und Lowside-Konfiguration.
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21 Schaltung sicherheitskritischer, direkt mit einer Versorgungsspannung verbunder, Bauteile.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden Bezug nehmend auf die Absicherung von Leistungsschaltern und sicherheitskritischen Bauteilen, wie sie in 20 und 21 dargestellt sind, erläutert werden, wobei im Folgenden auf die wiederholte Erläuterung der 20 und 21 verzichtet wird, und an den relevanten Stellen auf die 20 und 21 verwiesen wird.
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1 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem Sicherungselement und einem Halbleiterschalter in Highside-Konfiguration. Gezeigt ist ein Versorgungsspannungsanschluss 40, eine Sicherung 42, ein Halbleiterschalter 44 und eine Mehrzahl von elektrischen Lasten 46a–46n. Der Halbleiterschalter 44 beinhaltet eine Mehrzahl von einzelnen Leistungsschaltern 48a–48n und er besitzt neben hier der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellten Steuer-, Diagnose- und Masse-Anschlüssen einen versorgungsseitigen Spannungsanschluss 50 und mehrere lastseitige Anschlüsse 52a–52n. Die Sicherung 42 ist zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 40 und den Spannungsanschluss 50 des Halbleiterschalters 44 geschalten. Die Leistungsschalter 48a–48n innerhalb des Halbleiterschalters 44 sind zwischen den versorgungsseitigen Spannungsanschluss 50 und die lastseitigen Spannungsanschlüsse 52a–52n geschalten, wobei zwischen den lastseitigen Spannungsanschlüssen 52a–52n und Masse die elektrischen Lasten 46a–46n geschalten sind. Die Sicherung 42 ist thermisch über eine wärmeleitende Verbindung 54 mit dem Halbleiterschalter 44 gekoppelt. Heizt sich im Fehlerfall der Halbleiterschalter 44 auf gefährlich hohe Temperaturen, so schmilzt die Sicherung 42 und unterbricht den Stromfluss. Bei der Anordnung der Sicherung 42 bzw. des Sicherungselementes im gemeinsamen versorgungsspannungsseitigen Strompfad trennt die Sicherung 42 alle Kanäle des defekten Halbleiterschalters 44 gleichzeitig von der Versorgungsspannung 40.
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Die 2, 3 und 4 zeigen Schaltungen zur Absicherung von elektrischen Lasten in Highside- und Lowside-Konfiguration, wobei im Folgenden für die in den 1 bis 4 mit identischer Funktion vorkommenden Bauteile dasselbe Bezugszeichen verwendet wird. 2 zeigt den Versorgungsspannungsanschluss 40, den Halbleiterschalter 44, die elektrischen Lasten 46a–46n, die Leistungsschalter 48a–48n innerhalb des Halbleiterschalters 44, den versorgungsspannungsseitigen Spannungsanschluss 50 des Halbleiterschalters 44, die lastseitigen Spannungsanschlüsse 52a–52n des Halbleiterschalters 44 und mehrere Sicherungen 42a–42n. Der Versorgungsspannungsanschluss 40 ist direkt mit dem versorgungsspannungsseitigen Spannungsanschluss 50 des Halbleiterschalters 44 verbunden, im Halbleiterschalter 44 sind zwischen den versorgungsspannungsseitigen Spannungsanschluss 50 und den lastseitigen Spannungsanschlüssen 52a–52n die Leistungsschalter 48a–48n geschalten. Zwischen den lastseitigen Spannungsanschlüssen 52a–52n und der Masse sind zunächst die Sicherungen 42a–42n und dann die elektrischen Lasten 46a–46n in Reihe zueinander geschalten. Die Sicherungen 42a–42n sind über wärmeleitende Verbindungen 54a–54n individuell mit den Leistungsschaltern 48a–48n thermisch gekoppelt. Bei der hier gezeigten Anordnung der Sicherung im lastseitigen Strompfad und bei der individuellen thermischen Kopplung der Sicherungselemente 42a–42n an die Leistungsschalter 48a–48n wird eine kanalselektive Auslösung der Sicherungen erreicht.
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3 zeigt das Schaltbild einer gemeinsamen Absicherung mehrerer Verbraucher in Lowside-Konfiguration. Dargestellt ist der Versorgungsspannungsanschluss 40, die Sicherung 42, der Halbleiterschalter 44, die elektrischen Lasten 46a–46n und die Leistungsschalter 48a–48n. Die elektrischen Lasten 46a–46n sind zwischen den gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 40 und mehrere lastseitige Spannungsanschlüsse 50a–50n des Halbleiterschalters 44 geschalten. Die Leistungsschalter 48a–48n sind zwischen die lastseitigen Spannungsanschlüsse 50a–50n des Halbleiterschalters 44 und einen gemeinsamen masseseitigen Spannungsanschluss 52 des Halbleiterschalters 44 geschalten. Zwischen den gemeinsamen masseseitigen Spannungsanschluss 52 des Halbleiterschalters 44 und Masse ist die Sicherung 42 geschalten, wobei diese über die wärmeleitende Verbindung 54 thermisch mit dem Halbleiterschalter 44 gekoppelt ist. Durch die enge thermische Kopplung schmilzt die Sicherung 42 bei Überschreiten einer Auslösetemperatur, wenn in dem Halbleiterschalter 44 eine Fehlfunktion vorliegt, und alle elektrischen Lasten 46a–46n werden gemeinsam von Strom getrennt.
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4 zeigt eine Schaltung zum individuellen Absichern mehrerer elektrischer Lasten in Lowside-Konfiguration. Gezeigt ist der Versorgungsspannungsanschluss 40, die Sicherungen 42a–42n, der Halbleiterschalter 44, die elektrischen Lasten 46a–46n und die Leistungsschalter 48a–48n. Zwischen den gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 40 und mehrere lastseitige Spannungsanschlüsse 50a–50n des Halbleiterschalters 44 sind in Reihe zunächst die elektrischen Lasten 46a–46n und dann die Sicherungen 42a–42n geschalten. Zwischen die lastseitigen Spannungsanschlüsse 50a–50n des Halbleiterschalters 44 und dem gemeinsamen erdseitigen Spannungsanschluss 52 des Halbleiterschalters 44 sind die Leistungsschalter 48a–48n geschalten. Die Sicherungen 42a–42n sind individuell über die wärmeleitenden Verbindungen 54a–54n an die Leistungsschalter 48a–48n thermisch gekoppelt. Durch die individuelle thermische Kopplung erfolgt eine individuelle Absicherung der Leistungsschalter 48a–48n, sodass bei einer Fehlfunktion eines der Schalter 48a–48n und dem daraus resultierenden Auslösen der zugeordneten Sicherung die von der Fehlfunktion nicht betroffenen Schalter nicht von dem Versorgungsspannungsanschluss 40 getrennt werden, sodass die übrigen Verbraucher weiterhin mit Strom versorgt werden können. Es wird also bei einer Gefahr der Überhitzung lediglich der fehlerhafte Laststrompfad selbstständig getrennt.
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5 zeigt mehrere Schaltungen zum Schutz sicherheitskritischer Bauelemente, welche direkt mit einem gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 60 verbunden sind. Die Figur zeigt den gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 60, einen ersten Varistor 62a und einen zweiten Varistor 62b, einen ersten Keramik-Vielschichtkondensator 64a und einen zweiten Keramik-Vielschichtkondensator 64b, einen ersten Tantal-Elektrolytkondensator 66a und einen zweiten Tantal-Elektrolytkondensator 66b und sechs Sicherungen 68a–68f. Die Sicherung 68a ist zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 60 und den ersten Varistor 62a geschalten, wobei der Varistor 62a zwischen Sicherung 68a und Masse geschalten ist und der Varistor 62a und die Sicherung 68a über eine wärmeleitende Verbindung 70a thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen die Versorgungsspannung 60 und den ersten Vielschicht-Keramikkondensator 64a ist die Sicherung 68b geschalten, wobei der Keramik-Vielschichtkondensator 64a zwischen Sicherung 68a und Masse geschalten ist und der Vielschicht-Keramikkondensator 64a und die Sicherung 68b über eine wärmeleitende Verbindung 70b thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 60 und den ersten Tantal-Elektrolytkondensator 66a ist die Sicherung 68c geschalten, wobei der Tantal-Elektrolytkondensator 66a zwischen Sicherung 68c und Masse geschalten ist und der Tantal-Elektrolytkondensator 66a und die Sicherung 68c über eine wärmeleitende Verbindung 70c thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 60 und die Sicherung 68d ist der zweite Varistor 62b geschalten, wobei die Sicherung 68d zwischen Varistor 62b und Masse geschalten ist und der Varistor 62b und die Sicherung 68d über eine wärmeleitende Verbindung 70d thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen die Sicherung 68e und den Versorgungsspannungsanschluss 60 ist der Keramik-Vielschichtkondensator 64b geschalten, wobei die Sicherung 68e zwischen Keramik-Vielschichtkondensator 64b und Masse geschalten ist und der Keramik-Vielschichtkondensator 64b und die Sicherung 68e über eine wärmeleitende Verbindung 70e thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 60 und die Sicherung 68f ist der zweite Tantal-Elektrolytkondensator 66b geschalten, wobei die Sicherung 68f zwischen Tantal-Elektrolytkondensator 66b und Masse geschalten ist und der Tantal-Elektrolytkondensator 66b und die Sicherung 68f über eine wärmeleitende Verbindung 70f thermisch miteinander gekoppelt sind. Durch die gezeigte Schaltung und die jeweils individuelle thermische Kopplung der Komponenten können die Varistoren 62a und 62b, die Vielschicht-Keramikkondensatoren 64a und 64b und die Tantal-Elektrolytkondensatoren 66a und 66b individuell gegen Fehlfunktion abgesichert werden.
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6 zeigt ein Sicherungselement, das im Folgenden allgemein mit 80 bezeichnet wird. Gezeigt ist das Sicherungselement 80, das ein Schmelzmaterial 81 umfasst, ein Schaltungsträger 82, eine Leiterbahn 84a und eine Leiterbahn 84b, und eine erste und zweite Kontaktstelle 86a und 86b. Die Leiterbahnen 84a und 84b sind auf einem gemeinsamen Schaltungsträger 82, z. B. einer Leiterplatte aus FR-4, angeordnet. Ein Spalt 88 zwischen der Leiterbahn 84a und der Leiterbahn 84b wird von dem Sicherungselement 80 leitend überbrückt. Dazu ist das Sicherungselement 80 an der ersten Kontaktstelle 86a durch Löten, Leitkleben oder Schweißen mit der Leiterbahn 84a verbunden und an der zweiten Kontaktstelle 86b durch Löten, Leitkleben oder Schweißen mit der Leiterbahn 84b verbunden. Bei Überschreiten der Auslösetemperatur, d. h. der Schmelztemperatur des Schmelzmaterials 81, schmilzt das Schmelzmaterial 81 des Sicherungselementes 80 und unterbricht dadurch die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterbahn 84a und der Leiterbahn 84b, dass das geschmolzene Schmelzmaterial 81 die Spalte 88 ganz oder teilweise freigibt und sich das Schmelzmaterial 81 aufgrund seiner Oberflächenspannung an den Kontaktstellen 86a und 86b ansammelt.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Sicherungselementes
80 ist dasselbe als ein Formteil aus einer metallischen Legierung gebildet und als solches aus einer metallischen Folie als Stanzteil ausgestanzt oder als Abschnitt eines Metallfolienbandes abgeschnitten. Die metallische Legierung weist dabei z. B. einen eutektischen Schmelzpunkt bei einer Temperatur im Bereich von 260°C bis 390°C auf. Dabei sind mögliche Legierungen z. B.:
| Legierung | Schmelzpunkt [°C] |
| 82,6 Cd, 17,4 Zn | 266 |
| 80 Au, 20 Sn | 280 |
| 97,5 Pb, 2,5 Ag | 303 |
| 97,5 Pb, 1,5 Ag, 1 Sn | 309 |
| 92 Pb, 5 Sn, 2 Ag | 296 |
| 88 Au, 12 Ge | 356 |
| 96,4 Au, 3,6 Si | 370 |
| 95 Zn, 5 Al | 382 |
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Sicherungselementes besitzt das Schmelzmaterial 81, eine hohe Oberflächenspannung, sodass sich das Schmelzmaterial 81 nach dem Aufschmelzen zu einzelnen Inseln zusammenzieht und somit das Trennen der Sicherung 80 gewährleistet ist. Bei einer Lötverbindung des Sicherungselementes 80 an den Kontaktstellen 86a und 86b ist die Temperatur des Lötprozesses so zu wählen, dass kein Aufschmelzen des Schmelzmaterials 81 während des Montageprozesses erfolgt. Umgekehrt kann die Legierung des Schmelzmaterial 81 vorteilhaft so ausgewählt werden, dass das Sicherungselement 80 den Lötprozess der Baugruppe schadlos übersteht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Sicherungselementes 80 besitzt das Sicherungselement 80 eine geringe „Spannweite” 88, um eine hohe Lastwechselfestigkeit zu gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sicherungselementes 80 in 7 umfasst das Sicherungselement 80 einen Körper aus Schmelzmaterial 81 aus einem bei der gewünschten Auslösetemperatur schmelzenden Legierung, der an den Kontaktbereichen mit einer als Diffusionssperre dienenden lötbaren metallischen Schicht 92a und 92b versehen ist. Die metallischen Schichten bzw. die Sperrschichten 92a und 92b vermeiden beim Auflöten des Sicherungselementes 80 auf einen Schaltungsträger die Bildung einer Mischlegierung bzw. die Ausbildung intermetallischer Phasen zwischen der Legierung des Schmelzmaterials 81 und der Legierung des verwendeten Lots. Die geometrische Ausdehnung des Sicherungselementes 80 in 7 ist vorteilhafterweise kompatibel zu Standard SMD-Bauformen und damit zu Standard-SMD-Produktionsprozessen. Die Sperrschichten 92a und 92b können auf den Körper des Sicherungselementes 80 beispielsweise galvanisch aufgebracht sein oder wie im Folgenden anhand von 8 erläutert werden wird, als Anschlusskappen auf den Körper 81 aufgepresst bzw. aufgewalzt sein.
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8 zeigt eine vorteilhafte Möglichkeit, ein Sicherungselement 80, wie es in 7 gezeigt ist, industriell kostengünstig herzustellen. Dargestellt sind das fertige Sicherungselement 80, ein Metallfolienband aus dem Schmelzmaterial 81 des Sicherungselementes 80, vier Vertikalwalzen 100a–100d, zwei Folienstreifen 102a und 102b bestehend aus dem Material der Sperrschichten 92a und 92b und zwei Horizontalwalzen 104a und 104b. Wie es in 8 zu sehen ist, werden die Anschlusskappen bzw. Sperrschichten 92a und 92b, die als Diffusionssperre wirken, hergestellt, indem auf das bandförmige Schmelzmaterial 81 durch die Horizontalwalzen 104a und 104b sowie durch die Vertikalwalzen 100a–100d die Folienstreifen 102a und 102b aufgewalzt werden. Nach Durchlaufen der Walzanordnung wird das bandförmige Material durch Schneiden oder Stanzen in diskrete Sicherungselemente 80 vereinzelt, wobei diese vorteilhaft von ihren geometrischen Abmessungen her kompatibel zu Standard SMT-Prozessen sind.
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9 zeigt ein Sicherungselement, das als diskretes Bauelement ausgeführt ist. Gezeigt sind Anschlusskappen 110a und 110b, die aus lötbarem und/oder diffusionshemmendem Material bestehen. In dem speziellen Ausführungsbeispiel in 9 ist der Körper aus Schmelzmaterial mit einem Flussmittel 112 überzogen, das das Schmelzmaterial der Sicherung 80 zusätzlich vor Oxidation schützt. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird zum einen durch den Schutz vor Oxidation die lang anhaltende Funktion des Sicherungselementes 80 sichergestellt und gleichzeitig das Auslöseverhalten des Sicherungselementes 80 verbessert, da die als Flussmittel wirkende Schutzschicht 112 ein Abfließen des geschmolzenen Schmelzmaterials aus dem Strom fuhrenden Bereich beschleunigt und somit das Auslösen der Sicherung 80 beschleunigt.
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Weitere Möglichkeiten, ein Flussmittel in das Sicherungselement zu integrieren, und somit das Auslöseverhalten der Sicherung zu verbessern, sind in 10 gezeigt. Gezeigt ist ein Längsschnitt 120 durch das Schmelzmaterial 81 des Sicherungselements und ein Querschnitt 122 durch das Schmelzmaterial 81 des Sicherungselements. In der dargestellten Ausführungsform des Sicherungselementes beinhaltet das Schmelzmaterial 81 des Sicherungselementes eine oder mehrere abgeschlossene Seelen 124 mit einer als Flussmittel dienenden Substanz. Das erforderliche Abdichten der Seelen, sodass das Flussmittel im Inneren des Schmelzmaterials 81 verbleibt, kann z. B. durch einen Quetschvorgang beim Ausstanzen oder beim Abschneiden des Sicherungselementes von einem Draht/Bandmaterial erfolgen.
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11 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Sicherungselementes 80 als diskretes Bauteil. Gezeigt sind das Schmelzmaterial 81, Anschlusskappen 130a und 130b sowie ein keramisches Trägermaterial 132. Das Schmelzmaterial 81 ist als Schicht, z. B. in Dünn- oder Dickschichttechnik, in einem galvanischen Prozess, durch Sputtern oder mittels ähnlicher Metallisierungsprozesse auf das keramische Trägermaterial 132 aufgebrach. Die Anschlusskappen 130a und 130b sind leitend mit dem Schmelzmaterial 81 verbunden. Vorteilhaft ist die Dimension des Sicherungselementes 80 so gewählt, dass es wie ein Standard-SMD-Bauelement (z. B. ein Dünnschichtwiderstand) in einer elektronischen Schaltung einsetzbar ist.
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In 12 ist das Sicherungselement nicht als diskretes Bauelement realisiert, sondern als Schicht direkt auf einem Schaltungstrager – z. B. einer Leiterplatte, Hybridkeramik, DCB-Substrat oder Ähnliches – aufgebracht. 12 zeigt einen Schaltungsträger 140, eine Leiterbahn 142, eine erste Sicherung 144a und eine zweite Sicherung 144b, einen Chip 146, ein Chipgehäuse 148, ein Anschlussbein 150 und einen Bonddraht 152. Die Leiterbahn 142 ist an den Orten der Sicherung 144a und 144b unterbrochen, wobei eine leitende Verbindung zwischen den Abschnitten der Leiterbahn 142 durch die Sicherungen 144a und 144b dadurch hergestellt wird, dass diese die durch die Unterbrechung der Leiterbahn 142 entstandenen Spalte 154a und 154b überspannen, wobei die Sicherungen 144a und 144b jeweils an jeder ihrer Seiten elektrisch leitend mit der Leiterbahn 142 verbunden sind. Das Anschlussbein 150 ist mit der Leiterbahn 142 leitend verbunden, wobei ein Stromanschluss des Chips 146 innerhalb des Chipgehäuses 148 durch den Bonddraht 152 mit dem Anschlussbein 150 leitend verbunden ist. Das Aufbringen der Schicht des schmelzenden Materials über die Spalten 154a und 154b kann während der Produktion des Schaltungsträgers 140 oder der Leiterbahn in einer Dünn- oder Dickschichttechnologie, durch einen galvanischen Prozess, durch Sputtern oder mittels ähnlicher Metallisierungsprozesse erfolgen. In dem Ausführungsbeispiel wird die thermische Kopplung des zu überwachenden Chips 146 zu den Sicherungen 144a und 144b durch die räumliche Nähe der Sicherungen 144a und 144b zum Chip 146 und zum Chipgehäuse 148 bzw. durch die wärmeleitende Verbindung des Anschlussbeins 150 mit der Leiterbahn 142 und somit der Sicherung hergestellt. Bei einer Fehlfunktion des Chips 146 wird die erzeugte Verlustwärme somit durch Wärmeleitung auf die Sicherungen 144a oder 144b übertragen, wodurch das Sicherungsmaterial schmilzt und z. B. in die Spalte 154a oder 154b abfließt bzw. sich aufgrund seiner Oberflächenspannung auf den beiden Kontaktinseln zusammenzieht, um somit die leitende Verbindung, also den Stromfluss zum Chip 146, zu unterbrechen.
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Ein weiteres Element ist in 13 gezeigt. Dort ist ein Schaltungsträger 156 dargestellt, ein Chip 158, ein Chipgehäuse 160, eine Leiterbahn 162, ein Bonddraht 164 sowie ein intaktes Anschlussbein 166a des Chipgehäuses 160 sowie ein geschmolzenes Anschlussbein 166b des Chipgehäuses 160. Gemäß der hier gezeigten Beispiel bestehen die stromführenden Anschlussbeinchen 166a bzw. 166b des zu überwachenden Bauelements bzw. Chips 158, der sich in dem Chipgehäuse 160 befindet und über den Bonddraht 164 mit dem Anschlussbein verbunden ist aus dem schmelzenden Material der Sicherung. Dabei kann je nach gewünschter Schutzwirkung das schmelzende Material aus einer Legierung bestehen, die beispielsweise zwischen einer Temperatur von 260° und 500°C schmilzt, wobei wegen der großen räumlichen Nähe zur Wärmequelle (dem Chip 158) auch höher schmelzende Legierungen geeignet sein können. Bevorzugt sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel nicht alle Anschlussbeinchen bzw. Pins des Chipgehäuses 160 aus dem Schmelzmaterial. Dadurch ist gewährleistet, dass der Chip 158 durch sein Chipgehäuse 160 in seiner Position gehalten wird, auch wenn die stromführenden Anschlussbeinchen geschmolzen sind, sodass durch den geschmolzenen Pin 166b der Stromfluss sicher unterbrochen wird.
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In 14 ist eine weitere Sicherungsform dargestellt. 14 zeigt einen Schaltungsträger 170, einen Keramik-Vielschichtkondensator 172, ein erstes Anschlussbein 174 sowie ein zweites intaktes Anschlussbein 176a und ein zweites geschmolzenes Anschlussbein 176b. Im funktionsfähigen Zustand ist der Kondensator 172 mit seinem ersten Anschlussbein 176a an einem ersten Kontakt 180a leitend mit einer Leiterbahn verbunden, sowie mit seinem zweiten Anschlussbein 174 an einem zweiten Anschlusspunkt 180b mit einer zweiten Leiterbahn. Dabei besitzt der Kondensator speziell geformte – z. B. L-förmige – Anschlussbeinchen, um eine mechanische Entlastung des Kondensators bei thermischen Längenänderungen und Biegebeanspruchungen des Schaltungsträgers 170 zu gewährleisten. Wie es in 14 auf der rechten Seite dargestellt ist, schmilzt bei einer Überhitzung des Kondensators 172 das aus dem Schmelzmaterial der Sicherung bestehende Anschlussbein 176b an dem Kontaktpunkt 180a, sodass der Stromfluss am Kontaktpunkt 180a sicher unterbrochen wird. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird das zu schützende Bauteil, wie z. B. der Kondensator 172, sowohl vor einer thermischen Überlastung als auch vor einer mechanischen Beanspruchung geschutzt.
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15 zeigt eine elektrische Schaltung. Dargestellt ist ein mehrkanaliger Halbleiterschalter 182, der sich in einem PDSO 20 Gehäuse befindet, der einen ersten Lastausgang 184a, einen zweiten Lastausgang 184b, einen Versorgungsspannungsanschluss 186 und einen Stromanschluss 187 aufweist, wobei jeder der Anschlüsse aus mehreren diskreten Leiterbahnen bestehen kann. Der Lastausgang 184a ist mit einer Leiterbahn 188a verbunden und der Lastausgang 184b ist mit einer Leiterbahn 188b verbunden, wobei in unmittelbarer Nähe zum Halbleiterschalter 182 die Leiterbahnen 188a und 188b unterbrochen sind, wobei diese Unterbrechung von Sicherungselementen 190a und 190b leitend überbrückt werden. Durch die möglichst nahe am Halbleiterschalter 182 befindlichen Sicherungen 190a und 190b, wird eine gute thermische Kopplung zwischen den Sicherungen 190a und 190b und dem Halbleiterschalter 182 gewährleistet, weswegen die bei einem Defekt im Halbleiterschalter 182 erzeugte übermäßige Wärmeentwicklung das Schmelzmaterial der Sicherungen 190a und 190b zum Schmelzen bringt, sodass die Sicherungselemente 190a und 190b den Stromfluss unterbrechen und eine gefährliche Wärmeentwicklung damit gestoppt wird. In der gezeigten Anordnung beinhaltet der Halbleiterschalter 182 zwei getrennte Schalter, wobei die Sicherung 190a räumlich näher am ersten Schalter angebracht ist und wobei die Sicherung 190b näher am zweiten Schalter montiert ist. Dadurch ergibt sich eine engere thermische Kopplung des der Sicherung 190a an den ersten Schalter, wodurch die Sicherung selektiv auslöst und bei einer Fehlfunktion beispielsweise des ersten Schalters der zweite Schalter nicht vom Strom getrennt werden muss.
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16 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein Schaltungsträger 192, eine erste Leiterbahn 194a und eine zweite Leiterbahn 194b, ein erstes Kontaktfeld 196a und ein zweites Kontaktfeld 196b sowie ein Abweisefeld 198 gezeigt sind. Die erste Leiterbahn 194a endet in dem Kontaktfeld 196a, an dem eine erste von 2 Seiten eines Sicherungselements leitend verbunden werden kann, sodass der nicht leitende Spalt zwischen dem Kontaktfeld 196a und dem Kontaktfeld 196b vollständig von dem Schmelzmaterial der Sicherung überbrückt wird, wobei die Sicherung mit einer zweiten Seite leitend mit der Kontaktstelle 196b verbunden ist. Dadurch wird im nicht geschmolzenen Zustand des Schmelzmaterials sichergestellt, dass ein Stromfluss von der Leiterbahn 194a zur Leiterbahn 194b erfolgen kann. Das zwischen der ersten Kontaktstelle 196a und der zweiten Kontaktstelle 196b befindliche Abweisefeld 198 ist mit einem Lötstopplack beschichtet, der die Eigenschaft hat, das geschmolzene Schmelzmaterial der Sicherung abzustoßen, sodass das geschmolzene Schmelzmaterial nach dem Schmelzen nicht im Bereich des Abweisefeldes 198 verbleiben kann und somit ein sicheres und schnelles Trennen der Sicherung gewährleistet ist. Der Lötstopplack unterstützt somit durch seine lotabweisenden Eigenschaften das Trennen der Sicherung.
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Die 17 bis 19 beschreiben weitere Sicherungen, bei denen das Trennen der Sicherung durch geeignete Maßnahmen beschleunigt wird, weswegen die 17 bis 19 im Folgenden gemeinsam beschrieben werden und auf die einzelnen Figuren nur dann individuell eingegangen wird, wenn sie sich von den gemeinsamen Merkmalen aller Figuren unterscheiden. Die 17 bis 19 zeigen dabei eine querschnitthafte Darstellung, sowie jeweils für einen Teil der querschnitthaften Darstellung eine Aufsicht auf das Beispiel. Dargestellt ist jeweils ein Schaltungsträger 200, ein zu überwachendes Bauelement bzw. ein Chip 202 eine den Versorgungsstrom führende Leiterbahn 204 und ein Sicherungselement 206. Der Chip 202 befindet sich innerhalb eines Chipgehäuses 208, wobei sein Stromanschluss über eine leitende Verbindung 210 mit einem Anschlussbeinchen 212 des Chipgehäuses 208 verbunden ist. Die Leiterbahn 204 ist in der unmittelbaren Nähe des Anschlussbeinchens 212 unterbrochen, wobei die Unterbrechung leitend von dem Sicherungselement 206 überbrückt wird. Im Bereich des Sicherungselementes 206 sind jeweils geeignete Maßnahmen getroffen, das Entfernen des Schmelzmaterials zu unterstutzen, wobei die einzelnen Maßnahmen im Folgenden anhand der 17 bis 19 diskutiert werden.
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In 17 befindet sich in einem Bereich 214 unterhalb des Sicherungselementes 206 eine Aussparung 216 im Schaltungsträger 200, wie z. B. ein Fräs- oder Stanzschlitz, wobei sich die Aussparung 216 über die gesamte Dicke des Schaltungsträgers 200 erstreckt, die Aussparung 216 also ein Loch im Schaltungsträger 200 erzeugt. Dieser Schlitz bzw. diese Aussparung unterstützt vorteilhaft das Trennen der Sicherung, da das geschmolzene Sicherungsmaterial im gesamten Bereich 214 in den Spalt abfließen kann, sodass die leitende Verbindung über die gesamte Breite des Bereichs 214 unterbrochen wird. Dies erhöht die Breite der Kontakttrennstrecke am ausgelösten Sicherungselement, sodass bei erhöhten an der Leiterbahn 204 anliegenden Spannungen die Gefahr eines Lichtbogens reduziert wird. Die Trennung der Sicherung wird dabei unabhängig von dem zu überwachenden Bauteil vorteilhaft unterstützt, also kann das zu überwachende Bauteil ein Leistungshalbleiterbauelement oder ein anderes sicherheitskritisches passives Bauelement sein.
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In 18 wird das Auslösen der Sicherung in einem Muldenbereich 218, der sich unterhalb des Sicherungselementes 206 befindet, und in dem im Schaltungsträger 200 eine Vertiefung 220 gebildet ist, unterstützt. Durch die Vertiefung 220 in dem Schaltungsträger 200 wird das Abfließen des geschmolzenen Schmelzmaterials ebenfalls, beispielsweise durch die Kapillarwirkung, unterstützt, wobei hier eine geringere mechanische Destabilisierung des Schaltungsträgers 200 stattfindet als im Ausführungsbeispiel von 17, wo der Schaltungsträger 200 in seiner ganzen Dicke durch den Spalt 216 durchbrochen ist. Bei mehrlagigen Leiterplatten hat diese Variante zusätzlich den Vorteil, dass unter dem Sicherungselement liegende Lagen der Leiterplatte nicht für das Layout blockiert sind.
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Im Ausführungsbeispiel in 19 ist einem Bereich 222 unterhalb des Sicherungselementes 206 ein Volumen 224 aus dem Schaltungsträger ausgespart, sodass das Volumen 224 von dem Schaltungsträger 200 und dem Sicherungselement 206 begrenzt wird. Das Volumen 224 ist dabei von einem Blähstoff oder einem Explosivstoff gefüllt. Der Explosivstoff wird beim Beginnen des Schmelzens des Schmelzmaterials von dem in das Volumen 224 eintretenden Schmelzmaterial gezündet, sodass sich der durch das Zünden des Explosivstoffes entstehende Überdruck durch das Sicherungselement 206 hindurch entlädt und das ganz oder teilweise geschmolzene Schmelzmaterial auf diese Art und Weise schnell und vollständig aus dem Bereich 222 entfernt wird. Im Falle eines Blähstoffes im Volumen 224 ist darauf zu achten, dass das Volumen 224 vollständig von dem Schaltungsträger 200 und dem Sicherungselement 206 begrenzt wird, sodass der von dem Blähstoff in dem Volumen 224 erzeugte Überdruck nicht durch eine etwaige Undichtigkeit entweichen kann. Mit Beginn des Schmelzens des Schmelzmaterials wird das Schmelzmaterials des Sicherungselementes 206 aufweichen, sodass es sich unter dem Einfluss des Überdrucks des Blähstoffes zu verformen beginnt. Ist das Material weich genug, wird es, ähnlich wie bei dem Zünden des Explosivstoffes, schlagartig zu einem Trennen der elektrisch leitenden Verbindung kommen, es wird also ebenfalls das Trennen der Sicherung beschleunigt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Blähstoff nicht gasend sondern besteht aus eine stark quellenden Material, was die Verarbeitung wesentlich erleichtert. Auch kann das Volumen 224 mit Flussmittel gefüllt sein, um das Auslösen der Sicherung zu beschleunigen.
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Die elektrische Schaltung ist in den 20 und 21 bzw. in den weiteren Ausführungsbeispielen mit einem Leistungsschalter und Varistoren bzw. Kondensatoren oder Kabelanschlüssen als abzusichernden Bauelementen gezeigt. Dies ist eine beispielhafte Anwendung, es können jedwede anderen Bauelemente abgesichert werden, die bei einer Fehlfunktion eine starke Wärmeentwicklung verursachen.
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In den 1 bis 4 wird dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Sicherungselemente durch externe Beschaltung an einen Halbleiterschalter angeschlossen und mit diesem thermisch gekoppelt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Sicherungselemente auch vorteilhaft in das Gehäuse des Halbleiterschalters 44 integriert werden, und dort direkt mit den einzelnen Leistungsschaltern 48a–48n thermisch gekoppelt werden. Die thermische Kopplung kann beispielsweise auch durch eine heatpipe oder eine phase-plane besonders effizient ausgeführt sein.
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Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung jeweils das individuelle Absichern einzelner Bauteile zeigen, ist es abhängig davon, wie die Sicherheitsanforderungen sind, ebenfalls möglich, mehrere Bauteile in einer Gruppe zusammenzufassen und diese durch die erfindungsgemäße Schaltung abzusichern.
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In den Ausführungsbeispielen sind beispielhafte Legierungen mit Schmelzpunkten im Bereich von 260–390°C angegeben. Abhängig von den Gegebenheiten kann jedes andere metallische oder nicht-metallische Material, das in dem angestrebten Temperaturbereich leitend ist, als Sicherungselement verwendet werden, wobei die Geometrie der Schaltung bezüglich der Wärmetransporteigenschaften und der gewünschten Auslösetemperatur der Sicherung in nahezu beliebiger Weise an die individuellen Bedürfnisse der vorliegenden Problemstellung angepasst werden können.
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Beispielhaft ist als Methode, das Sicherungselement leitend mit einer Leiterbahn oder anderen leitenden Bauteilen zu verbinden, Löten, Leitkleben oder Schweißen genannt, wobei auch jedwede andere Methode, eine leitfähige Verbindung herzustellen, wie z. B. Bördeln, Nieten oder Crimpen moglich ist, um ein Sicherungselement mit einem Schaltungsträger zu verbinden.
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Die verschiedenen Möglichkeiten, das Trennen der Sicherungselemente zu beschleunigen, sind in den 16 bis 19 anhand von Beispielen dargestellt, in denen das Sicherungselement direkt auf einem Schaltungsträger montiert ist. Auf dieselbe Art und Weise können für diskret hergestellte Sicherungselemente, wie sie beispielsweise in der 11 dargestellt sind, dieselben Methoden zum Beschleunigen des Auslösens der Sicherung integriert werden. Beispielsweise ist in 11 das Anbringen eines mit Explosivstoffen gefüllten Volumens in dem keramischen Trägermaterial 132 möglich, wie es anhand von 19 erläutert wurde.
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Obgleich in 15 das Schaltungsprinzip anhand eines Halbleiterschalters und einem PDSO-20 Gehäuse dargestellt ist, ist es so auch für jedwede andere leiterplattenmontierbare Gehäuseform, wie beispielsweise Power SO-10, TO-263, 1206 realisierbar. In dem Ausführungsbeispiel in 15 ist die Absicherung auch durch eine Anordnung der Sicherungselemente 190a und 190b in der gemeinsamen Versorgungszuleitung 186 möglich.
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Die in 16 dargestellte Unterstützungseinrichtung zum Unterstützen des Trennvorganges der Sicherung mittels eines Lötstopplackes, der in einem Bereich unterhalb des Schmelzmaterials angebracht ist, lässt sich auch mit anderen Materialien realisieren, die metallophob sind bzw. die die Eigenschaft haben, dass sie das geschmolzene Material der Sicherung abstoßen.
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Bei dem in 13 gezeigten Beispiel wird die Schaltung derart ausgeführt, dass der Stromverbraucher in ein Gehäuse montiert ist und das Strom fuhrende Anschlussbein des Gehäuses aus dem schmelzenden Material der Sicherung besteht. Dieses Prinzip lässt sich auf beliebige weitere leiterplattenmontierbare Gehäusetypen erweitern, insbesondere sind in einer weiteren Modifikation die Strom führenden Anschlussbeinchen eines Leadframes aus dem schmelzenden Material der Sicherung hergestellt, sodass durch den normalen Produktionsprozess, bei dem ein Chip mit dem Leadframe leitend verbunden wird, eine Vielzahl unterschiedlicher Chips abgesichert werden kann, wenn ein Leadframe mit Anschlussbeinchen aus dem Schmelzmaterial verwendet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Versorgungsspannungsanschluss
- 4
- Schmelzsicherung
- 6
- Last
- 8
- Leistungsschalter
- 10
- Stromflussrichtung
- 20
- Versorgungsspannungsanschluss
- 22
- Schmelzsicherung
- 24
- Steckverbindung
- 26
- Varistor
- 28
- Keramik-Vielschichtkondensator
- 30
- Tantal-Elektrolytkondensator
- 32
- Schaltungsknoten
- 40
- Versorgungsspannungsanschluss
- 42
- Sicherung
- 42a–42n
- Sicherung
- 44
- Halbleiterschalter
- 46a–46n
- elektrische Last
- 48a–48n
- Leistungsschalter
- 50
- versorgungsspannungsseitiger Spannungsanschluss
- 50a–50n
- versorgungsspannungsseitiger Spannungsanschluss
- 52
- lastseitiger Spannungsanschluss
- 52a–52n
- lastseitiger Spannungsanschluss
- 54
- wärmeleitende Verbindung
- 54a–54n
- wärmeleitende Verbindung
- 60
- Versorgungsspannungsanschluss
- 62a, 62b
- Varistor
- 64a, 64b
- Keramik-Vielschichtkondensator
- 66a, 66b
- Tantal-Elektrolytkondensator
- 68a–f
- Sicherung
- 70a–f
- wärmeleitende Verbindung
- 80
- Sicherungselement
- 81
- Schmelzmaterial
- 82
- Schaltungsträger
- 84a, b
- Leiterbahn
- 86a, b
- Kontaktstelle
- 88
- Spalt
- 92a, b
- Sperrschicht
- 100a–d
- Vertikalwalze
- 102a, 102b
- Folienstreifen
- 104a, 104b
- Horizontalwalze
- 112
- Flussmittel
- 120
- Längsschnitt
- 122
- Querschnitt
- 124
- Flussmittelseele
- 130a, 130b
- Anschlusskappe
- 132
- keramisches Trägermaterial
- 140
- Schaltungsträger
- 142
- Leiterbahn
- 144a, 144b
- Sicherung
- 146
- Chip
- 148
- Chipgehäuse
- 150
- Anschlussbein
- 152
- Bonddraht
- 154a, 154b
- Spalt
- 156
- Schaltungsträger
- 158
- Chip
- 160
- Chipgehäuse
- 162
- Leiterbahn
- 164
- Bonddraht
- 166a
- intaktes Anschlussbein
- 166b
- geschmolzenes Anschlussbein
- 170
- Schaltungsträger
- 172
- Kondensator
- 174
- Anschlussbein
- 176a
- intaktes Anschlussbein
- 176b
- geschmolzenes Anschlussbein
- 180a, 180b
- Anschlusspunkt
- 182
- Halbleiterschalter
- 184a, 184b
- Lastausgang
- 186
- Versorgungsspannungsanschluss
- 187
- Stromanschluss
- 188a, 188b
- Leiterbahn
- 190a, 190b
- Sicherungselement
- 192
- Schaltungsträger
- 194a, 194b
- Leiterbahn
- 196a, 196b
- Kontaktfeld
- 198
- Abweisefeld
- 200
- Schaltungsträger
- 202
- Chip
- 204
- Leiterbahn
- 206
- Sicherungselement
- 208
- Chipgehäuse
- 210
- Bonddraht
- 212
- Anschlussbeinchen
- 214
- Aussparungsbereich
- 216
- Spalt
- 218
- Muldenbereich
- 220
- Vertiefung
- 222
- Aussparbereich
- 224
- Aussparvolumen
