explosionsgefährdeten Bereichen

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät mit einer übergeordneten elektronischen Einheit und mehreren an die übergeordnete Einheit angeschlossenen von dieser mit

Energie versorgten elektronischen Baugruppen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, und ein Schutzelement mit dem im Falle einer Fehlfunktion einer Baugruppe die über die übergeordnete Einheit zur Verfügung stehende Leistung sicher in Wärme umwandelbar ist.

In der industriellen Messtechnik werden eine Vielzahl elektronischer Geräte, insb.

Messgeräte, wie z.B. Druck-, Temperatur-, Durchfluss oder Füllstandsmessgeräte, eingesetzt. Diese weisen in der Regel eine mit Energie versorgte übergeordnete elektronische Einheit auf, an die mehrere über die übergeordnete Einheit mit Energie versorgte elektronische Baugruppen, z.B. Sensoren, Mess- , Regel- und/oder

Auswertungsschaltungen oder Signalverarbeitungen, angeschlossen sind.

In Einsatzgebieten in denen Explosionsgefahr besteht, gelten strenge

Sicherheitsvorschriften. Dabei gilt es insb. eine Funkenbildung, die unter Umständen eine Explosion auslösen könnte, zu vermeiden. Entsprechend wird die der übergeordneten

Einheit zur Verfügung gestellte Leistung heute regelmäßig durch entsprechende Strom und Spannung begrenzende Schutzschaltungen auf eine vorgegebene Maximalleistung, z.B. auf 1 Watt, begrenzt. Darüber hinaus muss im Gerät sichergestellt werden, dass die den Baugruppen durch die übergeordnete Einheit zur Verfügung gestellte Leistung auch im Falle einer Fehlfunktion einer der Baugruppen keine Funkenbildung verursachen kann. Dies geschieht heute üblicherweise durch eine sichere Umwandlung der Leistung in Wärme. Bei der sicheren Umwandlung wird die von der von der übergeordneten elektronischen Einheit der jeweiligen Baugruppe zur Verfügung gestellte elektrische Leistung im Falle einer Fehlfunktion der Baugruppe derart in Wärme umgesetzt, dass dadurch in der Umgebung befindliche explosive Medien, wie z.B. Gase oder Stäube, nicht entzündet werden können.

Diese Forderung wird heute üblicher Weise auf die in Fig. 1 dargestellte Weise erfüllt, indem die übergeordnete Einheit 1 an mehrere untergeordnete Baugruppen 3

angeschlossen wird, und in jede die übergeordnete Einheit 1 mit einer der Baugruppen 3 verbindenden Anschlussleitungen 5 jeweils ein so genannter Explosionsschutzwiderstand R _Ex eingesetzt wird. Dabei ist die Bauform der Explosionsschutzwiderstände R _Ex jeweils so groß anzusetzen, dass jeder einzelne Explosionsschutzwiderstand R _Ex im Fehlerfall in der Lage ist, die gesamte über die übergeordnete Einheit 1 zur Verfügung stehende Leistung sicher in Wärme umzusetzen. Größe und Bauform jedes einzelnen

Explosionsschutzwiderstands R _Ex sind dabei derart auszulegen, dass der

Explosionsschutzwiderstand R _Ex auch dann nicht überhitzt, wenn über ihn, z.B. aufgrund eines Kurzschlusses in der daran angeschlossenen Baugruppe 3, die gesamte von der übergeordneten Einheit 1 zur Verfügung stehende Leistung in Wärme umgesetzt wird. In Abhängigkeit von der in der übergeordneten Einheit 1 zur Verfügung stehenden

Maximalleistung werden hierzu in der Regel Explosionsschutzwiderstände R _Ex mit sehr großen mechanischen Abmessungen benötigten, um die Aufnahme und die sichere Ableitung der Wärme zu gewährleisten.

Dies führt aufgrund der erforderlichen Größe der Bauform der

Explosionsschutzwiderstände R _Ex insb. bei Geräten mit vielen untergeordneten

Baugruppen 3 zu einem erheblichen Platzbedarf und steht einer Miniaturisierung und Kostenoptimierung entgegen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Schutzelement und ein mit einem solchen Schutzelement ausgestattetes Gerät der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem im Falle einer Fehlfunktion einer Baugruppe auf Platz sparende Weise eine sichere Umwandlung der über die übergeordnete Einheit bereit gestellten Leistung in Wärme sicher gestellt ist.

Hierzu besteht die Erfindung in einem elektronisches Gerät für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, mit

- einer übergeordneten elektronischen Einheit,

- mehreren an die übergeordnete Einheit angeschlossenen von der

übergeordneten Einheit mit Energie versorgten elektronischen Baugruppen, und

- einem in mehrere Anschlussleitungen für den Anschluss jeweils einer der

Baugruppen an die übergeordnete Einheit eingesetzten Schutzelement,

mit

- einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Grundkörper, und

- einer der Anzahl der Anschlussleitungen entsprechenden Anzahl von

auf den Grundkörper aufgebrachten Widerständen,

die jeweils eingangs- und ausgangsseitig mit einem Anschluss versehen

sind über den sie jeweils in eine der Anschlussleitungen eingesetzt

sind. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Grundkörper aus Keramik, insb. aus Aluminiumnitrid (AIN).

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Widerstände Dünnschichtwiderstände, insb. Dünnschichtwiderstände aus TaNi oder NiCr.

Gemäß einer ersten Weiterbildung ist auf einer den Widerständen gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers eine Wärmeleitschicht, insb. eine metallische Beschichtung, aufgebracht.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der ersten Weiterbildung

- liegt das Schutzelement mit der die Wärmeleitschicht aufweisenden Seite des

Grundkörpers auf einer Leiterplatte auf, und

- die Leiterplatte weist in einem von der Wärmeleitschicht überdeckten Bereich eine Ausnehmung auf.

Gemäß einer zweiten Weiterbildung

- ist das Schutzelement auf einer Leiterplatte angeordnet,

- ist die die Widerstände aufweisende Seite des Grundkörpers der Leiterplatte

zugewandt, und

- sind die Leiterplatte und das Schutzelement durch Abstandshalter

voneinander beabstandet.

Gemäß einer Weiterbildung der zweiten Weiterbildung ist zwischen der Leiterplatte und dem Schutzelement ein elektrisch isolierendes Wärmeleitelement angeordnet.

Gemäß einer Weiterbildung der zweiten Weiterbildung sind die Abstandshalter die Anschlüsse der Widerstände, die auf der die Widerstände aufweisenden Seite des Grundkörpers in vom Grundkörper abgewandter Richtung aus einer Ebene der

Widerstände herausragen.

Gemäß einer dritten Weiterbildung ist eine die Widerstände aufweisende Seite des Schutzelements mit einer elektrisch isolierenden Wärmeleitschicht, insb. einem Lack oder einem Verguss, überzogen.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Schutzelement für den elektrischen Anschluss einer übergeordneten elektronischen Einheit an mehrere über die übergeordnete Einheit mit Energie zu versorgende elektronische Baugruppen, mit - einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Grundkörper,

- einer der Anzahl der Baugruppen entsprechenden Anzahl von

parallel zueinander auf den Grundkörper aufgebrachten Widerständen,

die jeweils eingangsseitig über einen Anschluss an die Einheit und

ausgangseitig über einen Anschluss an eine der Baugruppen

anschließbar sind.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt: ein Blockschaltbild eines Geräts gemäß dem Stand der

Technik;

Fig. 2 zeigt: ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Geräts;

Fig. 3 zeigt: eine Ansicht einer ersten Variante des erfindungsgemäßen

Schutzelements;

Fig. 4 zeigt: eine Unterseite des Schutzelements von Fig. 3;

Fig. 5 zeigt: eine Schnittzeichnung des Schutzelements von

Fig. 3 auf einer Leiterplatte;

Fig. 6 zeigt: eine Teilansicht einer zweiten Variante des

erfindungsgemäßen Schutzelements; und

Fig. 7 zeigt: eine Schnittzeichnung des Schutzelements von Fig. 6 auf

einer Leiterplatte.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen Geräts für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Es weist eine einzige übergeordnete elektronische Einheit 1 auf, an die mehrere untergeordnete elektronische Baugruppen 3 angeschlossen sind. Die Baugruppen 3 sind jeweils über eine Anschlussleitung 5 an die übergeordnete Einheit 1 angeschlossen, und werden von der übergeordneten Einheit 1 mit Energie versorgt. Erfindungsgemäß ist ein in mehrere jeweils eine der Baugruppen 3 mit der übergeordneten Einheit 1 verbindende Anschlussleitungen 5 eingesetztes Schutzelement 7 vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Baugruppen 3 über das dargestellte Schutzelement 7 mit der übergeordneten Einheit 1 verbunden. Alternativ können aber auch mehrere Gruppen von Baugruppen jeweils über ein einzelnes in die Anschlussleitungen aller Baugruppen der jeweiligen Gruppe eingesetztes Schutzelement an die übergeordnete Einheit 1 angeschlossen werden.

Fig. 3 zeigt eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Schutzelements 7.

Es umfasst einen Grundkörper 9 aus einem elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Material, wie z.B. Keramik. Ein aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit in der

Größenordung von 200 W/mK besonders geeigneter keramischer Werkstoff ist z.B.

Aluminiumnitrid (AIN). Auf dem Grundkörper 9 ist eine der Anzahl der über das Schutzelement 7 führenden Anschlussleitungen 5 entsprechende Anzahl von Widerstanden R aufgebracht. Die Widerstände R sind vorzugsweise Dünnschichtwiderstände, insb. Dünnschichtwiderstände aus TaNi oder NiCr. Jeder Widerstand R ist jeweils eingangs- und ausgangsseitig mit einem Anschluss 1 1 für eine der Anschlussleitungen 5 versehen. In der in Fig. 3 dargestellten Variante sind die Widerstände R hierzu als streifenförmige Flächenwiderstände ausgebildet, die parallel zueinander quer über eine Oberseite des Grundkörpers 9 verlaufen. Die eingangs- und ausgangsseitig vorgesehenen Anschlüsse 1 1 sind beispielsweise auf gegenüberliegenden Seitenflächen des Grundkörpers 9 angeordnete jeweils mit den Enden der Wderstände R auf der Oberseite des Grundkörpers 9 verbundene SMD-Lötanschlüsse.

Im Falle einer Fehlfunktion einer oder mehrerer über das Schutzelement 7 an die übergeordnete Einheit 1 angeschlossenen Baugruppen 3 ist die über die übergeordnete Einheit 1 zur Verfügung stehende Energie sicher in Wärme umzusetzen. Da nur eine übergeordnete Einheit 1 vorhanden ist, ist diese Energie auch nur einmal vorhanden, unabhängig davon, wie viele Baugruppen 3 über das Schutzelement 7 an die

übergeordnete Einheit 1 angeschlossen sind. Anders als beim eingangs beschriebenen Stand der Technik, bei dem jeder einzelne Schutzwiderstand R _Ex in der Lage sein muss, die von der übergeordneten Einheit 1 zur Verfügung gestellte Energie im Fehlerfall sicher in Wärme umzusetzen, genügt hier die einmalige Umsetzung durch das Schutzelement 7, unabhängig von der Anzahl der darüber angeschlossenen Baugruppen 3. Eine Fehlfunktion einer der Baugruppen 3 führt zu einem erhöhten Strom über den in dessen Anschlussleitung 5 befindlichen Widerstand R des Schutzelements 7. Die dabei frei werdende Wärme wird vom Grundkörper 9 aufgenommen und über den Grundkörper 9 abgeführt. Dabei bewirkt die vorzugsweise hohe Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers 9 eine näherungsweise gleichförmige Erwärmung des Grundkörpers 9 und damit einen effektiven großflächigen Wärmeabtransport. Eine gleichzeitig auftretende Fehlfunktion von zwei oder mehr Baugruppen 3 führt aufgrund der nur einmal vorhandenen in Wärme umzusetzenden Energie nicht zu einer höheren Wärmeentwicklung am Schutzelement 7. Auch bei gleichzeitiger Fehlfunktion mehrer Baugruppen 3 genügt damit ein einziger Grundkörper 9 zur sicheren Wärmeumsetzung. Erfindungsgemäß wird daher für den

Anschluss mehrerer Baugruppen 3 an eine übergeordnete Einheit 1 nur ein einziger zentral angeordneter Grundkörper 9 benötigt. Damit wird sehr viel Platz eingespart, der nun für Miniaturisierung des Geräts, für weitere Baugruppen oder für andere Nutzungen zur Verfügung steht.

Zur Verbesserung des Wärmeabtransports kann auf einer den Widerständen R

gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers 9 eine in Fig. 4 dargestellte Wärmeleitschicht 13, insb. eine metallische Beschichtung, aufgebracht bzw. - wie hier dargestellt - in eine entsprechende Ausnehmung in den Grundkörper 9 eingebracht sein. Hierdurch ist es möglich entweder die vom Schutzelement 7 umsetzbare Wärmemenge, und damit die über die übergeordnete Einheit 1 zur Verfügung stellbare Energie zu erhöhen, oder bei gleicher über die übergeordnete Einheit 1 zur Verfügung stehender Energie die Abmessungen des Grundkörpers 9 zu reduzieren. Das Schutzelement 7 ist beispielsweise - wie in Fig. 5 dargestellt- auf einer Leiterplatte 15 angeordnet, auf deren Oberseite die Anschlussleitungen 5 zur übergeordneten Einheit 1 und zu den Baugruppen 3 aufgebracht sind, in die das Schutzelement 7 eingesetzt ist. Die Anschlussleitungen 5 führen jeweils zu den auf den gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 9 angeordneten Anschlüssen 1 1 der Widerstände R, an die sie jeweils beispielsweise über eine Lötverbindung 17 angeschlossen sind. Vorzugsweise dienen diese Lötverbindungen 15 zugleich auch zur mechanischen Befestigung des

Schutzelements 7 auf der Leiterplatte 15.

Zur weiteren Verbesserung des Wärmeabtransports im Falle einer Fehlfunktion, weist die Leiterplatte 15 in deren vom Schutzelement 7 überdeckten Bereich eine Ausnehmung 19 auf, über die Wärme durch die Leiterplatte 15 hindurch abgeführt wird. Diese Maßnahme führt insb. in Kombination mit einer auf der der Leiterplatte 15 zugewandten Seite des Grundkörpers 9 vorgesehenen Wärmeleitschicht 13 zu einem sehr effektiven Wärmeabtransport. Alternativ kann die Wärmeleitschicht 13 aber auch auf einer auf der Leiterplatte 15 vorgesehenen hier nicht dargestellten Kühlfläche aufgebracht bzw.

aufgelötet werden. Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen

Schutzelement 7'. Aufgrund der großen Übereinstimmung zu der zuvor beschriebenen Variante sind hier lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert. Im Unterschied zu der bisher beschriebenen Variante sind die Widerstände R und deren Anschlüsse 1 1 ' hier auf ein und derselben Seite des Grundkörpers 9 angeordnet. Hierdurch ist es unter Einsatz von Abstandshaltern 21 zwischen Leiterplatte 15 und Grundkörper 9 möglich, das Schutzelement 7' -wie in Fig. 7 dargestellt- derart auf der Leiterplatte 15 zu montieren, dass die Widerstände R sich auf der der Leiterplatte 15 zugewandten Seite des

Grundkörpers 9 befinden. Die Abstandshalter 21 werden vorzugsweise durch die Anschlüsse 1 1 ' der Widerstände R gebildet, die hierzu auf der die Widerstände R aufweisenden Seite des Grundkörpers 9 in vom Grundkörper 9 abgewandter Richtung aus einer Ebene der Widerstände R

herausragen. Die Anschlüsse 1 1 ' sind auch hier vorzugsweise über Lötverbindungen 17' an die auf der Leiterplatte 15 zum Schutzelement 7' verlaufenden Anschlussleitungen 5 angeschlossen.

Genau wie bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch hier in dem vom Schutzelement 7 überdeckten Bereich der Leiterplatte 15 eine -hier nicht dargestellte- Ausnehmung zur Verbesserung des Wärmeabtransports durch die Leiterplatte 15 hindurch vorgesehen werden.

Alternativ kann zwischen der Leiterplatte 15 und Schutzelement 7 zur Verbesserung des Wärmeabtransports ein elektrisch isolierendes Wärmeleitelement 23 angeordnet werden. Darüber hinaus ist vorzugsweise zumindest die die Wderstände R aufweisende Seite des Schutzelements 7 bzw. 7' mit einer elektrisch isolierenden Wärmeleitschicht, insb. einem Lack oder einem Verguss, überzogen. Diese Wärmeleitschicht bietet zum einen den Vorteil, dass sie die gleichmäßige Verteilung der lokalen Wärmeentwicklung im Bereich einzelner Widerstände R über den Grundkörper 9 fördert und beschleunigt. Zum anderen bewirkt sie eine Verstärkung der durch den Abstand zwischen den einzelnen Wderständen R gegebenen Isolierung der einzelnen Wderstände R gegeneinander, und trägt damit zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit bei.

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übergeordnete Einheit

Baugruppe

Anschlussleitung

Schutzelement

Schutzelement

Grundkörper

Anschluss

' Anschluss

Wärmeleitschicht

Leiterplatte

Lötverbindung

Ausnehmung in der Leiterplatte

Abstandshalter

Wärmeleitelement