DE19615643A1 - Überspannungsschutzeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutzanord­ nung (1, 2) für elektronische Baugruppen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-AS 18 16 553 ist eine Überspannungsschutzeinrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der sich die Forderung nach einem besonderen Schutz daraus ergibt, daß die Verbraucher oder Meßwertgeber in explosionsgefährdeten Räumen liegen. Die zur Spannungsbegrenzung dienenden Dioden sollen dabei durch vorgeschaltete Feinsicherungen gegen unzulässige Erwärmung geschützt sein.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß der Schutz durch die Sicherung nicht immer ausreicht, wenn die Überlastung in einem weiten Bereich schwanken kann.

Erwärmt sich das spannungsbegrenzende Element durch eine an­ stehende Überspannung bzw. durch den als Folge der Überspan­ nung hindurchfließenden Strom, so kann dieses Element nach kurzer Zeit, zum Beispiel im Sekunden- oder Minutenbereich, überlastet sein, bevor die vorgeschaltete strombegrenzende Schmelzsicherung zum Ansprechen gebracht wird.

Deshalb richtet sich die Erfindung auf einen Schutz gegen eine Zerstörung der Überspannungsschutzeinrichtung, die ihrerseits schwerwiegende Folgen nach sich ziehen kann, wenn die zu schützenden elektronischen Baugruppen sicherheitstechnische Schutzeinrichtungen darstellen.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß dem spannungsbegren­ zenden Element (1) ein temperaturempfindliches Schaltelement (2) unter besonders guter thermischer Kopplung (9) zugeordnet ist. Diese wird erreicht, indem ein Anschluß (7) des span­ nungsbegrenzenden Elements gleichermaßen einen Anschluß (8) des temperaturempfindlichen Schaltelements bildet.

Im Falle einer unzulässigen Erwärmung wird der die Erwärmung hervorrufende Stromfluß unterbrochen, indem das temperaturemp­ findliche Schaltelement öffnet.

Als Grundlage für einen vereinigenden Aufbau des spannungs­ begrenzenden Elements mit dem temperaturempfindlichen Schalt­ element eignet sich beispielsweise das Tragblech oder ein Lötanschluß in unmittelbarer Nähe des Gehäusekörpers (7) einer bipolaren Begrenzerdiodenanordnung oder eines zur Begrenzung verwendeten Halbleiterschalters, der wiederum ein aktiver Teil einer Schaltungsanordnung zur Spannungsbegrenzung sein kann. Das begrenzende Element führt an seinem Tragblech, seiner Kühlfahne oder an mindestens einer seiner Elektroden die durch die Begrenzungsfunktion hervorgerufene Temperatur. Benutzt man nun die temperaturführende Stelle selbst (7) als Teil des temperaturempfindlichen Schaltelements (8), ist eine optimale thermische Kopplung gegeben.

Ein Tragblech oder eine Kühlfahne bietet darüber hinaus die für den Zusammenbau der Einheit geeignete mechanische Festig­ keit. Der Stromfluß unter normalen Betriebsbedingungen erfolgt über einen Metallfinger oder eine elektrisch leitfähige Feder, der bzw. die über einen Lottropfen mit der temperaturführenden Stelle des spannungsbegrenzenden Elements verbunden ist und unter mechanischer Spannung (22) steht. Anstelle der Feder und des Lottropfens kann auch eine Lotbrücke vorgesehen sein, die im Falle ihres Abschmelzens den Stromfluß unterbricht. Die Auslösetemperatur des verwendeten Lots beträgt vorzugsweise etwa 100°C, weil dann noch keine Beschädigung der Bauteile der Schutzeinrichtung und der gegebenenfalls zur Isolierung einge­ setzten Werkstoffe, insbesondere von Kunstharzen, zu erwarten ist.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung, die in der Zeichnung Fig. 1 als Schaltplan dargestellt ist, werden anhand der Zeichnungen Fig. 2 und Fig. 3 zwei Ausführungsbeispiele beschrieben.

Die zu schützende Elektronikbaugruppe (6) ist ein Über­ wachungsstromkreis für eine Batterie, die gegen Unter- und Überladung zu schützen ist, da sie bei Tiefentladung Schaden nehmen und bei Überladung explodieren kann.

Parallel zu der zu schützenden Überwachungselektronik liegt ein spannungsbegrenzendes Element (1), welches seine Begren­ zungsfunktion dann aufnimmt, wenn die Spannung an den Ein­ gangsklemmen (3, 4) einen für dem Überwachungsstromkreis zu hohen Wert überschreitet.

Das spannungsbegrenzende Element kann beispielsweise eine Transienten-Suppressor-Schutzdiode oder ein Thyristor sein, dessen Zündelektrode mit der Anode einer passend dimensionier­ ten Zenerdiode verbunden ist und deren Kathode an die Anode des Thyristors geschaltet ist. Ersetzt man den Thyristor durch einen Triac, so spricht dieser in einer Richtung gemäß der Zenerspannung und in dazu inverser Richtung gemäß ihrer Fluß­ spannung in Diodenrichtung an, bewirkt also auch einen Schutz gegen eine Falschpolung der Versorgungsspannung.

Im normalen Betriebsfall ist das temperaturempfindliche Schaltelement, in Fig. 1 durch das Schaltersymbol (2) symbolisiert, stets geschlossen. Im Falle einer Überspannung an den Klemmen (3, 4) kommt es aufgrund des Stromflusses zu einer mehr oder weniger starken Erwärmung des spannungsbegren­ zenden Elements. Diese bleibt bei mäßiger Beanspruchung, zum Beispiel bis zu 100°C, ohne Folgen. Wird aber die zulässige Temperaturgrenze überschritten, bringt das spannungsbegren­ zende Element (1) das temperaturempfindliche Schaltelement (2) über die thermische Kopplung (9) zum Ansprechen.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 schmilzt dann der Lottropfen (10) und gibt die Feder (2) frei, so daß diese sich entsprechend ihrer Vorspannung bewegen kann und damit jeden weiteren Stromfluß unterbricht.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 schmilzt statt dessen die Lotbrücke (16) und zieht sich aufgrund ihrer Oberflächen­ spannung, unterstützt durch das sie umgebende Flußmittel (17), kugelförmig zusammen, wobei die elektrische Brückenverbindung öffnet und somit den Stromfluß unterbricht.

Die weiteren Bezeichnungen in Fig. 2 und 3 bedeuten:

Bezugszeichenliste

7, 8 = Gemeinsamer Anschluß des spannungsbegrenzenden Elements und des temperaturempfindlichen Schaltelements;
14 = Platine;
11 = Lot zur Fixierung der Bauteile auf der Platine;
12, 13 = Leiterbahnen.

Claims (5)

1. Anordnung zum Schutz einer spannungsbegrenzenden Schal­ tungsanordnung vor Überhitzung sowie zum Schutz der an diese Anordnung angeschlossenen Baugruppe vor Überspannung mit einer Reihenschaltung aus mindestens einem spannungsbegrenzenden Element der spannungsbegrenzenden Schaltungsanordnung und aus einem temperaturempfindlichen Schaltelement mit mindestens einem ersten und einem zweiten Anschluß, wobei das temperatur­ empfindliche Schaltelement bei normaler Betriebstemperatur eine Stromverbindung und bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur eine Stromhemmung bildet, wobei an die Verbindungs­ stelle des spannungsbegrenzenden Elementes mit dem temperatur­ empfindlichen Schaltelement die zu schützende elektronische Baugruppe angeschlossen ist, und wobei zwischen dem spannungs­ begrenzenden Element und dem temperaturempfindlichen Schalt­ element eine wärmeleitende Verbindung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Verbindung (9) zwischen dem spannungsbegrenzenden Element (1) und dem temperaturempfindlichen Schaltelement (2) dadurch hergestellt wird, daß die Verbindungsstelle (7) des spannungsbegrenzenden Elements den ersten Anschluß (8) des temperaturempfindlichen Schaltelements bildet,
daß der zweite Anschluß des temperaturempfindlichen Schalt­ elements aus einer elektrisch leitfähigen Feder (2, 22) gebildet wird,
daß die Stromverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß durch einen Lottropfen (10) erfolgt, wobei die Schmelztemperatur des Lottropfens der vorgegebenen Temperatur zur Auslösung dem Stromhemmung entspricht,
und daß die Feder (2) eine Spannkraft (22) aufweist, die den lottropfenseitigen Teil des zweiten Anschlusses des tempera­ turempfindlichen Schaltelements von der Verbindungsstelle des spannungsbegrenzenden Elements (5, 7, 8) abzieht, wenn der Lottropfen seine Schmelztemperatur erreicht hat.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile in SMD-Technik auf einer Platine (14) oder auf einem äquivalenten Substrat befestigt sind.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als zweiter Anschluß des tempe­ raturempfindlichen Schaltelements durch ein Leiterbahnstück (12) auf der Platine und der Lottropfen durch eine Lotbrücke (16) zwischen der Verbindungsstelle des spannungsbegrenzenden Elements (7) und dem Leiterbahnstück ersetzt ist, so daß sich die Lotbrücke bei Überschreiten ihrer Schmelztemperatur kugel­ förmig auf die Verbindungsstelle und/oder auf das Leiterbahn­ stück zurückzieht und damit die Stromhemmung auslöst.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der direkten Umgebung des Lottropfens oder der Lotbrücke ein Flußmittel (17) vorhanden ist, das die Oberflächenspannung des Lotes während des Schmelzvorgangs verstärkt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Lotes unterhalb der Schmelztemperatur der Lötstellen eingestellt ist, durch welche die Bauteile auf der Platine montiert sind.