HOCHSTROM-BAUELEMENT

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Funktionselektronik für ein Hochstrom-Bauelement, welches vorgesehen ist zur elektrischen und mechanischen Verbindung an einer Leiterplatte oder einem anderen mechanischen Trägersubstrat für einen Schaltungsverbund oder Schaltkreis, mit Leiterbahnen, leitenden Flächenelementen und/oder anderen leitenden Bereichen und Kontakten, die zur Verwendung mit Hochstrom ausgebildet sind, wobei die Funktionselektronik elektronische Komponenten aufweist, die zur Messung von Eigenschaften des durch das Bauelement fließenden elektrischen Stroms oder einer an dem Bauelement anliegenden elektrischen Spannung oder zur Ausübung einer anderen elektronischen Funktionalität ausgebildet ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Hochstrom-Bauelement zur elektrischen und mechanischen Verbindung an einer Leiterplatte, welche Leiterbahnen, leitende Flächenelemente und/oder andere leitende Bereiche und Kontakte aufweist, die zur Verwendung mit Hochstrom ausgebildet sind.

Ein Hochstrom-Bauelement ist beispielsweise ein Einpresselement oder ein Steckelement. Ein Hochstrom-Bauelement wird mechanisch und elektrisch mit einer Leiterplatte oder anderem Trägersubstrat verbunden. Solche Bauelemente können beispielsweise die Form großer Schrauben annehmen, welche in einem Steckplatz der Leiterplatte verankert werden. Das Bauelement bildet dann einen Kontakt innerhalb eines Schaltkreises, in dem hohe Ströme fließen.

Auf Leiterplatten werden insbesondere Schaltkreise und die zugehörigen Funktionalitäten realisiert. Es gibt auch andere mechanische Möglichkeiten Schaltkreise zu realisieren, etwa diskret aus einzelnen Komponenten. Unterschieden werden Schaltkreise, in denen niedrige Ströme fließen, etwa integrierte Schaltkreise in der Computerindustrie und Hochstrom- Schaltkreise. Mit kleinen Strömen können beispielsweise in SMD-Technik hohe Datenraten bei hoher Bandbreite übertragen werden.

Hochstrom-Bauelemente können auch auf anderen mechanischen Trägersubstraten im Zusammenhang einer Schaltkreisanordnung oder im Schaltungs verbünd verwendet werden. Der Einfachheit halber wird nachstehend überwiegend auf Leiterplatten Bezug genommen. Es versteht sich, dass die Erfindung auch an anderen mechanischen Trägersubstraten verwirklicht werden kann.

Hochstrom-Schaltkreise werden beispielsweise in der Bahntechnik verwendet. Die Ströme in Hochstrom-Schaltkreisen können mehrere zehn bis einige hundert Ampere betragen. Entsprechend werden in Hochstrom-Schaltkreisen vergleichsweise dicke Leitungen mit einem großen Leitungsquerschnitt verwendet. Es müssen große Isolationsabstände wegen eventuell auftretenden hohen Spannungen eingehalten werden. Da die zum Löten derartiger Leitungen erforderlichen Leistungen zu hohen Temperaturen und mechanischer Beanspruchung führen, werden die Kontakte auf der Leiterplatte mittels Einpresselementen oder Steckelementen hergestellt.

Stand der Technik

Hochstrom-Bauelemente zur Kontaktierung auf Leiterplatten werden beispielsweise von Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG unter der Bezeichnung "Press-fit", Würth Elektronik ICS GmbH & Co. KG, BROXING SA unter der Bezeichnung "Power Clamp", TE Connectivity und ERNI Electronics GmbH & Co. KG vertrieben. Zur Herstellung einer Leiterplatte wird zunächst in einem Funktionsschaltbild definiert, welche Funktionalität mit der Leiterplatte und dem darauf befindlichen Schaltkreis verwirklicht werden soll. Danach wird ein Schaltplan erstellt und eine Bauraumanalyse durchgeführt. Erst danach erfolgt das Layout, d.h. das Design der Funktionskomponenten.

Bei komplexeren Schaltkreisen ist es häufig erforderlich, die physikalischen Bedingungen an einem Kontakt zu messen und auszugeben. So kann es beispielsweise erforderlich sein, den Strom, der durch ein Einpressteil fließt oder die Spannung, die an einem Einpressteil anliegt, zu messen und anzuzeigen, ob die zugehörigen Werte innerhalb eines ausgewählten Wertebereichs liegen. Es können aber auch andere physikalische Bedingungen relevant sein, etwa die Temperatur. Zur Erfassung dieser physikalischen Bedingungen werden daher zusätzlich zu dem eigentlichen Hochstrom-Schaltkreis Messanordnungen oder eine andere Funktionselektronik eingesetzt. Die Funktionselektronik liefert Informationen über die Bedingungen innerhalb des Schaltkreises und insbesondere darüber, ob der Hochstrom-Schaltkreis ordnungsgemäß arbeitet.

Die zusätzliche Sensorik oder andere Funktionselektronik ist eine Niederstromanwendung. Entsprechend müssen für die Leiterplatte hybride Fertigungstechniken verwendet werden. Die zusätzliche Funktionselektronik auf der Leiterplatte muss die gleichen Prozesse zur Zertifizierung durchlaufen, wie die übrigen Komponenten auf der Leiterplatte und die Leiterplatte selber. Die Funktionselektronik muss auch bei der Planung etwa des Bauraums berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass ein gewisser Lötaufwand bei der Fertigung erforderlich ist. Jede Lötstelle hat eine Ausfallwahrscheinlichkeit. Je mehr Komponenten eingesetzt werden, umso höher sind die Risiken für einen Ausfall. Dadurch werden bekannte Anordnungen und deren Auslegung komplex. Jedes Mal, wenn eine Komponente einer Hochstrom-Schaltung verändert wird, muss die gesamte Anordnung, d.h. auch die unveränderten Komponenten einem neuen Zertifizierungsprozess unterzogen werden. Dies ist kostenintensiv und zeitaufwändig und erfordert hohe Kompetenzen auf Seiten des zuständigen Personals. Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Entwicklung und Herstellung von Hochstrom- Leiterplatten zu vereinfachen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Funktionselektronik an dem Hochstrom-Bauelement oder einem gemeinsamen Träger gehalten ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Funktionselektronik mit dem Hochstrom-Bauelement gemeinsam montierbar ist.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Funktionselektronik in das Hochstrom-Bauelement integrierbar ist. Unter dem Begriff "integrieren" wird hier verstanden, dass die Funktionselektronik in einer Aussparung oder in einem Hohlraum vorgesehen ist oder außen an dem Hochstrom-Bauelement vorgesehen ist oder einem gemeinsamen Träger fixiert ist. Der gemeinsame Träger kann von einem Trägermaterial, beispielsweise einem Harz, gebildet sein, in welches die Funktionselektronik eingegossen wird. Es kann aber auch eine Platte oder dergleichen vorgesehen sein, auf welchem die Funktionselektronik mechanisch befestigt ist. Die Ausgestaltung der Funktionselektronik ist dabei an die jeweilige Anwendung angepasst und kann, muss aber nicht, ihrerseits eine Leiterplatte oder ein Trägersubstrat umfassen.

Alternativ oder zusätzlich kann ein Gehäuse oder ein Trägermaterial vorgesehen sein, mit welchem die Funktionselektronik modulhaft auf das Hochstrom-Bauelement aufsteckbar oder an dem Hochstrom-Bauelement fixierbar ist. Mit einem Gehäuse kann auch der Isolationsabstand zu weiteren Komponenten sichergestellt werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Funktionselektronik in einer Aussparung oder in einem Hohlraum innerhalb eines Hochstrom-Bauelementes einsetzbar ausgebildet ist.

Die Funktionselektronik muss dann nicht mehr individuell für jede Leiterplatte geplant und berücksichtigt werden. Vielmehr ist sie standardisiert an dem Hochstrom-Bauelement gehalten. Sie kann bereits in dem Bauelement oder im Zusammenhang mit diesem zertifiziert werden und vereinfacht die Planung, Prüfung und Zertifizierung der Leiterplatte. Auch der Bauraum lässt sich leichter planen und der Lötaufwand wird reduziert oder ganz vermieden. Beispiele für eine Funktionselektronik sind insbesondere das Messen des durch das Bauelement fließenden Stroms, das Messen einer an dem Bauelement anliegenden Spannung, das Messen der in oder an dem Bauelement herrschenden Temperatur oder eines die Temperatur repräsentierenden Wertes. Auch andere Sensoren können in das Bauelement integriert werden. Es können aber auch andere Funktionalitäten mit der Funktionselektronik verwirklicht werden. Hierzu gehört insbesondere die Feststellung ob ein Kontakt besteht oder nicht.

Die Messung des Stroms kann beispielsweise durch die Messung und Auswertung des den Feiter umgebenden Magnetfeldes erfolgen. Dann wird das eigentliche Stromsignal praktisch nicht beeinflusst. Es ist aber auch denkbar, andere Technologien oder Messverfahren für die Sensorik einzusetzen. Die Kontakte können auf einer Seite des Bauelements, beispielsweise alle auf der der Feiterplatten zugewandten Seite vorgesehen sein. Einige der Kontakte können für die digitalen Signale vorgesehen sein, während andere Kontakte für die übrigen Signale wie beispielsweise eventuell nötige Bezugspotentiale vorgesehen sind.

Typischerweise hat das Hochstrom-Bauelement Kontakte zur Kontaktierung mit der Feiterplatte über welche der hohe Strom fließt. Zusätzlich zu diesen Kontakten zur Kontaktierung mit der Feiterplatte sind vorzugsweise Kontakte vorgesehen, welche galvanisch von der übrigen Kontaktierung entkoppelt sind und an welchen Signale der Funktionselektronik anliegen und dort abgreifbar oder einspeisbar sind. An diesen zusätzlichen Kontakten können Informationen mit Geräten zur weiteren Auswertung ausgetauscht werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Funktionselektronik einen optischen und/oder akustischen Signalgeber umfasst, welcher das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Zustands des Bauelements anzeigt. Ein solcher optischer Signalgeber kann insbesondere eine oder mehrere FED oder OFED umfassen. Es ist aber natürlich auch möglich, andere optische Signalgeber zu verwenden. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Signalgeber nicht in der Funktionselektronik vorgesehen ist, sondern an einer anderen Stelle. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Funktionselektronik wenigstens einen Dateneingang aufweist, über welchen eine oder mehrere der darin enthaltenen elektronischen Komponenten konfigurierbar sind. Dann kann die Funktionalität des Bauelements durch einfache Programmierung und/oder Konfigurierung individuell an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Die Konfigurierbarkeit erlaubt es, das Hochstrom-Bauelement in hohen Stückzahlen herzustellen, auch wenn für einzelne Konfigurationen nur geringe Stückzahlen benötigt werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Funktionselektronik eine IO- Fink- oder andere normierte Kommunikations Schnittstellen auf. Über die Kommunikations Schnittstelle können die durch die Funktionselektronik erzeugten Daten, insbesondere Messwerte und Einstellungen, an andere Geräte oder Funktionsgruppen übertragen und dort weiter verwendet oder ausgewertet werden.

Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Kommunikationsschnittstelle kann eine optische Kommunikationsschnittstelle vorgesehen sein. Vorzugsweise, aber nicht zwingend, ist die Kommunikationsschnittstelle bidirektional ausgebildet. Insbesondere kann ein mit den optischen Signalen eines Signalerzeugers beaufschlagter Fichtleiter zur Übertragung der Signale an eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen sein. Es versteht sich, dass auch andere Mittel zur Übertragung von optischen Signalen geeignet sein können. Fichtleiter sind Fasern, Röhren oder Stäbe, die Ficht über kurze oder lange Strecken transportieren. Fichtleiter sind beispielsweise einzelne Glasfasern oder Bündel aus mehreren Glasfasern. Es können aber auch andere Fichtwellenleiter (FWF) Glasfaserkabel oder Fichtleiterkabel (FFK) verwendet werden.

Ein großes Problem ist die Störanfälligkeit, wenn Signale elektrisch über Feitungen von und/oder zur Funktionselektronik geleitet werden. Dann müssen diese Feitungen sehr gut galvanisch getrennt und/oder entkoppelt werden, was im Allgemeinen Maßnahmen zur elektromagnetischen Verträglichkeit umfasst. Das ist mit hohem Aufwand bei Fertigung und Qualitätssicherung verbunden. Anders als elektrische Signale, die über elektrische Feiter auf der Feiterplatte und nach außen übertragen werden, ist bei einer optischen Kommunikation eine galvanische Trennung implizit gegeben und daher sind auf diesem Leitungsweg keine weiteren Maßnahmen zur Trennung erforderlich. Optische Signale werden auch bei starken Strömen und Spannungen bzw. deren Änderungen nicht beeinflusst und sind daher aus physikalischen Gründen weniger störanfällig. Die optische Übertragung erlaubt eine hohe Bandbreite und ist kostengünstig zu realisieren. Die Leitungslänge des Signalpfads für das analoge Messsignal und dessen Erfassung und ggf. Vorverarbeitung ist dabei vorteilhafterweise möglichst kurz zu halten. Das Signal wird gewandelt und digital auf optischem Weg nach außen übertragen. Auch die Steuerung kann auf diese Weise erfolgen.

Die Spannungsversorgung der Funktionselektronik erfolgt vorzugsweise aus einer auf der Leiterplatte als Potentialdifferenz vorhandenen passenden Spannung. Mit Hilfe dieser kann auch ein optisches Signal erzeugt werden. Bei der Auslegung möglicher Versorgungsspannungen der Funktionselektronik sind entsprechende Industriestandards und Normen zu beachten. Wenn kein Bezugspotential auf der Feiterplatte existiert, muss dieses als weiteres Bezugspotential bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Hochstrombauelement samt Funktionselektronik auf einem einzelnen Potentialstrang aus Dickkupfer (>mehrere hundert Mikrometer) angeordnet ist.

Der Fichtleiter kann beispielsweise senkrecht nach oben, durch die Feiterplatte senkrecht nach unten, parallel oberhalb der Feiterplatte oder durch einen Schlitz parallel unterhalb der Feiterplatte geführt werden. Dabei sind die erlaubten Krümmungsradien der Faser zu berücksichtigen. Eine Kommunikation kann sowohl uni- als auch bidirektional erfolgen. Hierzu können ein oder mehrere Fichtleiter verwendet werden. Eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht insbesondere die Konfiguration der Funktionselektronik in einer Richtung und Signalübertragung der Messdaten und Statusinformationen in der anderen Richtung.

In Bezug auf die Richtungsabhängigkeit der Kommunikationswege, sind hier je nach Auslegung der Funktionselektronik alle Betriebsmodi denkbar (Simplex, Halbduplex, Vollduplex und Dual-Simplex). Die Aufgabe wird ferner mit einem Hochstrom-Bauelement gelöst, das eine Funktionselektronik aufweist, die an dem Hochstrom-Bauelement oder einem gemeinsamen Träger gehalten ist.

Das Hochstrom-Bauelement kann insbesondere als Einpresselement, Schraubelement, mit Rastkontakten, für Klettverbindungen oder als Steckelement ausgebildet sein. Es sind aber auch andere Verbindungs-, Kontaktierung s- und Befestigungsmöglichkeiten denkbar. Eine Klettverbindung ist beispielsweise in DE 10 2017 126 724 Al beschrieben.

Das Hochstrom-Bauelement besteht vorzugsweise aus der Funktionselektronik und im Übrigen nur aus einem beschichteten oder unbeschichteten, homogenen, elektrisch leitenden Material.

Bei einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauelement einen elektrisch leitenden Metallkörper umfasst und die Funktionselektronik in einer Aussparung oder in einem Hohlraum innerhalb des Metallkörpers angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass die äußeren Abmessungen des Hochstrom-Bauelements gegenüber bekannten Bauelementen ohne Funktionselektronik nahezu erhalten bleiben. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Funktionselektronik auf das Hochstrom-Bauelement aufgesteckt oder außen angebracht ist. Die Funktionselektronik kann ein Modul bilden, mit dem bekannte Hochstrom-Bauelemente nachgerüstet werden können.

Typischerweise hat das Hochstrom-Bauelement Kontakte zur Kontaktierung mit der Leiterplatte über welche der hohe Strom fließt. Zusätzlich zu diesen Kontakten zur Kontaktierung mit der Leiterplatte sind vorzugsweise Kontakte vorgesehen, welche galvanisch von der übrigen Kontaktierung entkoppelt sind und an welchen Signale der Funktionselektronik abgreifbar und/oder von außen einspeisbar sind. An diesen zusätzlichen Kontakten können Informationen an Geräte zur weiteren Auswertung übertragen und beispielsweise Steuersignale empfangen werden.

Die erfindungsgemäßen Hochstrom-Bauelemente sind insbesondere für Ströme oberhalb von 16 A, vorzugsweise oberhalb von 50 A und höchst vorzugsweise oberhalb von 100 A vorgesehen. Es handelt sich also um Strom- und Leistungsbereiche mehrere Größenordnungen oberhalb von Bereichen, die für typische Elektronik der IT- und Telekommunikation eingesetzt werden.

Das Bauelement kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass ein Gewinde, ein Steckkontakt oder ein anderer Flächenkontakt zum Anschließen von Hochstromleitungen vorgesehen ist.

Ziel bei der Fertigung und im späteren Einsatz einer Leiterplatte ist eine rüttelfeste, einfache Montage, welche möglichst geringem thermischen und mechanischen Stress ausgesetzt ist. Wenn auf Löten verzichtet werden kann, fallen Fehlerquellen und fertigungsbedingter thermischer Stress weitestgehend weg. Beim Einpressen von Kontakten wird typischerweise großer Druck ausgeübt. Für die Zuleitungen, insbesondere für Steuersignale und Bezugspotenziale können Anbindungen in Form von Rastkontakten (z.B. Skedd, www.skedd.de) verwendet werden, die kleineren Druck zum Einbringen erfordern, oder Klettverbindungen wie in DE 10 2017 126 724 Al beschrieben.

Die elektrischen Leiter für Hochstrom-beaufschlagte Elemente können beispielsweise aus reinen Materialien, etwa Kupfer, oder Legierungen, etwa Messing, gefertigt sein. Wichtig ist es, dass sie stabil gegenüber Druck sind, gute elektrische Leiter sind und nicht so leicht oxidieren. Oxide können unerwünschte, isolierende Stellen bilden. Um diesen Effekt zu verringern, können die Leiter beispielsweise zusätzlich Oberflächen -behandelt werden, etwa verzinkt, verzinnt oder vergoldet. Dabei ist es unschädlich, wenn das Material der Beschichtung weich ist, denn dann kann ein guter Formschluss beim Einpressen erzeugt werden.

Sinnvoll ist in der Regel eine wenigstens partielle Isolierung des Gehäuses oder des Trägers der Funktionselektronik auf der der Leiterplatte oder dem Trägersubstrat zugewandten Seite, um gegenüber eventuell vorhandenen Zuleitungen eine zusätzliche Isolation und Störentkopplung zu erreichen, die besser ist als bloßer Stoplack einer Leiterplatte. Wenn kein Stoplack vorhanden ist oder statt einer handelsüblichen Leiterplatte ein anderes mechanisches Träger Substrat verwendet wird, kann auch eine andere Isolierung verwendet werden. Es gibt auch Einpresselemente mit einer Durchgangsbohrung, in welche der Leiter eingesteckt wird. In die Durchgangsbohrung kann von unten ein Gegenstück eingesteckt werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Hochstrom-Bauelement vorgesehen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass

(a) die Funktionselektronik in oder auf einem vom Trägersubstrat für die Bauelemente zerstörungsfrei lösbaren Trägermaterial angeordnet ist und/oder in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei

(b) das Trägermaterial der Funktionselektronik galvanisch vom Trägersubstrat für die Bauelemente getrennt ist, und

(c) das Trägermaterial oder Gehäuse weitere Aufnahmen für weitere Gewinde, Steckkontakte oder andere Flächenkontakte zum Anschließen von Hochstromleitungen aufweist, welche gemeinsam zumindest Teile der Funktionalität der Funktionselektronik nutzen.

Diese Variante ermöglicht beispielsweise die Messung von phasenbezogenen Eigenschaften von Strom und Spannung oder anderen physikalisch gegebenen Messgrößen in einem Mehrphasen -Wechselstromkreis. Eine Spannungsversorgung der Funktionselektronik kann hierbei beispielsweise aus vorherrschenden Potentialdifferenzen zwischen den einzelnen Phasen erfolgen. Diese Variante ermöglicht eine Nutzung der Vorteile aus dem Vorliegen mehrerer gleichzeitig in gegenseitiger Beziehung zu betrachtender Hochstrom-Potentiale oder -Signale und der möglichen Erweiterbarkeit bereits bestehender Schaltkreise.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Definitionen

In dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen haben alle Begriffe eine dem Fachmann geläufige Bedeutung, welche der Fachliteratur, Normen und den einschlägigen Intemetseiten und Publikationen, insbesondere lexikalischer Art, beispielsweise www.Wikipedia.de, www.wissen.de oder www.techniklexikon.net, www.skedd.de der Wettbewerber, forschenden Institute, Universitäten und Verbände, beispielsweise Verein Deutscher Ingenieure, dargelegt sind. Insbesondere haben die verwendeten Begriffe nicht die gegenteilige Bedeutung dessen, was der Fachmann den obigen Publikationen entnimmt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig.l zeigt ein Hochstrom-Bauelement mit einer integrierten Funktionselektronik nach einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig.2 ist eine perspektivische Darstellung eines Kontaktadapters für das Hochstrom- Bauelement aus Figur 1.

Fig.3 ist eine perspektivische Darstellung des Hochstrom-Bauelements aus Figur 1 mit einem Einpresselement ohne Kontaktadapter.

Fig.4a illustriert den Bauraum für die Funktionselektronik innerhalb des Hochstrom- Bauelements aus Figur 1.

Fig.4b zeigt schematisch eine Funktionselektronik, welche beispielhaft in dem in

Figur 4a dargestellten Bauraum angeordnet werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Funktionselektroniken verbaut sein können.

Fig.5 ist eine Draufsicht auf das Hochstrom-Bauelement aus Figur 1.

Fig.6 ist eine Seitenansicht des Hochstrom-Bauelements aus Figur 1. Fig.7a ist eine perspektivische Darstellung eines Hochstrom-Bauelements nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer integrierten Funktionselektronik, in welcher die Oberseite zu sehen ist.

Fig.7b zeigt schematisch eine Funktionselektronik, welche beispielhaft in dem dafür vorgesehenen Bauraum in dem Hochstrom-Bauelement aus Figur 7a angeordnet werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Funktionselektroniken verbaut sein können

Fig.8 ist eine perspektivische Darstellung eines Hochstrom-Bauelements mit einer integrierten Funktionselektronik nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in welcher die Unterseite mit den Kontakten zu sehen ist.

Fig.9 ist eine Draufsicht auf das Hochstrom-Bauelement aus Figur 7.

Fig.10 ist eine Seitenansicht des Hochstrom-Bauelements aus Figur 7.

Fig.l l ist eine perspektivische Darstellung einer Leiterplatte mit einem Hochstrom-

Bauelement auf der Unterseite mit ausgelagertem Signalerzeuger.

Fig.12 ist ein Querschnitt durch eine Leiterplatte mit einem Hochstrom-Bauelement auf der Oberseite mit integriertem Signalerzeuger und senkrecht abgehendem Lichtleiter.

Fig.13 ist eine perspektivische Darstellung einer Leiterplatte mit einem Hochstrom- Bauelement, bei dem der Lichtleiter durch die Leiterplatte und parallel zur Leiterplatte geführt ist.

Fig.14 ist ein Querschnitt durch die Anordnung aus Fig.13.

Fig.15 ist eine durchscheinende Seitenansicht auf eine Funktionselektronik mit drei platzierten Hochstrom-Bauelementen. Fig.16 ist eine perspektivische Ansicht eines Hochstrom-Bauelements für die Anordnung aus Figur 15.

Fig.17 ist eine perspektivische Außenansicht der Anordnung aus Figur 15.

Fig.18 ist eine perspektivische, durchscheinende Ansicht der Funktionselektronik aus

Figur 15.

Fig.19 zeigt schematisch eine Funktionselektronik für die Anordnung aus Figur 15, welche beispielhaft in dem zur Verfügung stehenden Bauraum angeordnet werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Funktionselektroniken verbaut sein können.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiel 1 (Fig.1-61

Figur 1 bis Figur 6 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem allgemein mit 10 bezeichneten Hochstrom-Bauelement. Das Hochstrom-Bauelement 10 ist modular aufgebaut. Ein erstes Modul wird von einem handelsüblichen Kontaktadapter 12 gebildet. Dieser ist in Figur 2 dargestellt. Der Kontaktadapter 12 sitzt in einem Einpresselement 14. Das Einpresselement ist ringförmig und in Figur 3 zu erkennen. Derartige Kontaktadapter 12 und Einpresselemente 14 sind beispielsweise auf den Seiten

https ://powerelement. we-online.de/products und

https://hdm-innowema.de/f/tk_tacksert_pins.pdf offenbart. Es versteht sich, dass der dargestellte Kontaktadapter 12 und das Einpresselement 14 in Form und Material variieren können und hier nur beispielhaft dargestellt sind. Wahlweise ist das Einpresselement auch einzeln einsetzbar.

Der Kontaktadapter 12 weist am oberen Ende in Figur 2 einen zylindrischen Kontakt 16 auf. Die Oberseite 18 des Kontakts ist kegelstumpfförmig ausgebildet. An dem Kontakt 16 können Leiter und dergleichen angeschlossen werden, wie dies dem Fachmann aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist. Insbesondere kann ein Hochstromkabel aufgesteckt werden. Der Kontakt 16 ist an einen zylindrischen Körper 20 angeformt. Über den zylindrischen Körper wird die elektrische Verbindung zu dem Einpresselement 14 und den leitenden Bereichen einer auch als PCB oder Leiterplatte bezeichneten Leiterplatte (nicht dargesteht) hergesteht. Im mittleren Bereich des Kontaktadapters 12 ist eine Verdrehsicherung 22 an den zylindrischen Körper 20 angeformt. Die Verdrehsicherung 22 hat im vorliegenden Lall die Lorm einer kreisförmigen Platte 24 die sich parallel zur Ebene der Leiterplatte erstreckt und an zwei gegenüberliegenden Seiten 26 abgeschnitten ist. Der zylindrische Körper 20 ist durch das Einpresselement 14 geführt, dessen Oberkante an der Unterseite der Verdrehsicherung anliegt.

Der Kontaktadapter 12 wird in eine Bohrung 28 in einem Einpresselement 14 eines allgemein mit 30 bezeichneten Moduls der Lunktionselektronik gesteckt. Die Verdrehsicherung 22 ist in einer passenden Aussparung 32 aufgenommen. Die Lage des Einpresselements 14 in dem Modul 30 ist in Ligur 1 und 3 illustriert. Das Modul 30 weist ein Kunststoffvergussgehäuse 34 auf. Dies ist in Ligur 3 zu erkennen. Es versteht sich, dass auch andere isolierende Materialien verwendet werden können. Im unteren Bereich des Gehäuses 34 ist eine Leiterplatte in Lorm einer Träger-PCB 36 angeordnet. Auf der Leiterplatte 36 ist eine Lunktionselektronik vorgesehen. Der für die Lunktionselektronik vorgesehene Bauraum 38 innerhalb des Gehäuses 34 ist in Ligur 4a illustriert. Ein Beispiel für eine Lunktionselektronik mit Komponenten 44, 46 und 48 ist in Ligur 4b schematisch dargestellt. Es versteht sich, dass es sich hierbei lediglich um eine Illustration handelt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient die Lunktionselektronik der Messung des durch den Kontaktadapter 12 fließenden Stroms. Es können aber auch andere Lunktionselektronik zu Messung anderer physikalischer Größen wie Spannung oder Temperatur, der Materialbeschaffenheit oder zur elektronischen Verwirklichung anderer Lunktionen in Lorm einer Lunktionselektronik vorgesehen sein.

Auf der Unterseite der Leiterplatte 36 sind Kontakte 40 der Lunktionselektronik angeordnet. Die Kontakte 40 sind entkoppelt von den Hochstrom-führenden Teilen des Kontaktadapters 12 und der Leiterplatte, in welcher das Hochstrom-Bauelement verwendet wird. An den Kontakten können insbesondere Signale abgegriffen und zur weiteren Verarbeitung beispielsweise an ein Anzeigegerät oder eine Datenverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden. An diesen Kontakten können auch Signale zur Steuerung und Konfiguration der Funktionselektronik aufgeschaltet werden. Insbesondere können die Kontakte für die Kommunikation, die Spannungsversorgung und eventuell nötige Bezugspotentiale vorgesehen sein.

Die Funktionselektronik ist im Wesentlichen eine elektrische Schaltung auf einer Leiterplatte mit einer wohl definierten Aufgabe. Sie wird in das Gehäuse 34 eingebettet. Zwei Leuchtdioden (LED) 42 dienen als Anzeige und erstrecken sich über den für die Komponenten vorgesehenen Bauraum 50 hinaus nach außen. So kann etwa angezeigt werden, wenn ein Kontakt hergestellt ist, ein Messwert einen Schwellwert überschreitet, außerhalb eines ausgewählten, zulässigen Wertebereichs liegt oder innerhalb dieses Wertebereichs liegt. Es können auch andere Anzeigelemente, etwa eine digitale Anzeige oder akustische Anzeigeelemente verwendet werden.

Das Gehäuse 34 weist einen Anschlag 44 für die Bewegungswinkelbegrenzung des aufsteckbaren Hochstromkabels auf. Der Anschlag 44 bildet so eine horizontale Schwenkbegrenzung. Eine mechanische Führung 46 dient als zusätzliche Sicherung des aufsteckbaren Hochstromkabels.

Figur 1, 5 und 6 zeigen die Module aus Figur 2 und Figur 3 in zusammengesetzten Zustand. Man erkennt, dass das Modul 30 auch zum Nachrüsten bestehender und bekannter Einpresselemente 14 und Kontaktadapter 12 geeignet ist. Es kann somit als eigenes Bauteil separat hergestellt und vertrieben werden. Ihr Einsatz ist unabhängig von dem Aufbau und der Verwendung der Leiterplatte mit den zugehörigen Hochstrom-Bauelementen und kann - muss aber nicht - derart ausgebildet sein, dass praktisch kein Einfluss auf die dort fließenden Ströme und Funktionalitäten ausgeübt wird. Insbesondere kann das Modul 30 mit der Funktionselektronik unabhängig geprüft und zertifiziert werden.

Bei Ausfall einer Funktionselektronik kann diese ohne großen Aufwand ausgetauscht werden. Dazu wird das Modul 30 mit der Funktionselektronik und dem Kontaktadapter 12 von dem Einpresselement 14 entfernt. Das Einpresselement 14 verbleibt in der Leiterplatte. Anschließend wird das Modul 30 mit der Funktionselektronik ausgetauscht. Der Kontaktadapter 12 kann nach dem Modul 30 mit der Funktionselektronik wieder eingesetzt und die Hochstromleitung angeschlossen werden. Veränderungen am Einpresselement oder an der Hochstrom-Leiterplatte werden nicht vorgenommen.

Ausführungsbeispiel 2 (Fig.7-10)

Figur 7 bis Figur 10 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem allgemein mit 110 bezeichneten Hochstrom-Bauelement mit einem Metallkörper 118. An den Metallkörper 118 sind an sich bekannte Hochstrom-Einpressstifte angeformt. Es versteht sich, dass auch jede andere Befestigungs- und Kontaktierungsform geeignet ist. Eine Durchgangsbohrung 122 dient zur Kontaktierung des Hochstromanschlusses an beispielsweise ein Stromkabel.

Das Hochstrom-Bauelement 110 ist gegenüber bekannten Hochstrom-Bauelementen insofern verändert, als es eine Aussparung 111 aufweist, in welcher eine Funktionselektronik 112 angeordnet ist. Dies ist in Figur 7b zu erkennen. Die Aussparung 111 ist teilweise durchgängig bis durch den Boden des Hochstrom-Bauelements 110 und erstreckt sich um die Durchgangsbohrung 122 herum. In Figur 7a ist mit 113 der für die Funktionselektronik 112 zur Verfügung stehende Bauraum bezeichnet.

Figur 8 zeigt die Unterseite 114 der Funktionselektronik 112 mit den zugehörigen Kontakten 116 und 120. Die Kontakte 120 dienen zur Kontaktierung mit der Leiterplatte. Die Kontakte 116 dienen wie im ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise für die Kommunikations- und/oder Spannungsversorgung und/oder eventuell nötige B ezug spotentiale .

Man erkennt, dass die äußeren Abmessungen des Hochstrom-Bauelements gegenüber bekannten Hochstrom-Bauelementen ohne Funktionselektronik nur wenig verändert sind. Die Funktionselektronik 112 wird gemeinsam mit dem Hochstrom-Bauelement montiert.

Ausführungsbeispiel 3 1 )

In Figur 11 ist ein Ausschnitt einer Leiterplatte 124 dargestellt. Die Leiterplatte 124 ist in üblicher Weise mit Leitungen 126 und leitenden Flächen 128 versehen. Die beispielhaft dargestellte leitende Fläche 128 ist beispielsweise als Hochstrom-Leiterfläche aus NiAu- (ENIG, ENEPIG) beschichtetem Kupfer ausgebildet. Es versteht sich, dass hier auch andere geeignete Materialien verwendet werden können. Die auf der Leiterplatte 124 aufgebrachten Leitungen dienen im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Signal- und B ezug spotentialleitungen .

Auf der leitenden Fläche 128 sind elektrische Hochstrom-Kontakte 130 vorgesehen. Ein Hochstrombauelement ist mit seinen Kontaktstiften in diese elektrischen Kontakte 130 von unten eingepresst. Neben den Hochstrom-Kontakten hat das Hochstrombauelement ferner elektrische Kontakte 131, welche insbesondere als Skedd-Kontakte ausgebildet sein können. Dies ist beispielhaft in Figur 12 zu erkennen. Die Kontakte 131 sind für Signale und Bezugspotentiale vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Hochstrombauelement mit einer Funktionselektronik versehen. Die Kommunikation der Funktionselektronik mit beispielsweise einer weiteren Verarbeitungseinrichtung erfolgt mittels eines optischen Signals. Hierzu ist ein Signalerzeuger vorgesehen, der ein digitales Signal erzeugt, welches in einen Lichtleiter 132 eingespeist wird. Zusätzlich können eine oder mehrere weitere Lichtleiter vorgesehen sein, welche eine bidirektionale Kommunikation, beispielsweise zu Steuer- und/oder Konfigurationszwecken, ermöglichen. Dann bezeichnet 132 ein Lichtleiterbündel. Die Übertragung mittels Lichtleiter 132 erfordert keine aufwändige galvanische Trennung von Signalleitungen und ist daher besonders einfach zu verwirklichen. Im vorliegenden Fall ist der Signalerzeuger außerhalb der Funktionselektronik auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet und der Lichtleiter 132 ist senkrecht durch die Leiterplatte zur Oberseite geführt. Es versteht sich, dass der Signalerzeuger, wie nachstehend beschrieben, auch innerhalb der Funktionselektronik im Einpresselement vorgesehen sein kann.

Ausführungsbeispiel 4 (Fig.12)

Das in Figur 12 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie das 3. Ausführungsbeispiel in Figur 11 ausgebildet. Entsprechend bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. Hier ist der Signalerzeuger 136 jedoch in die Funktionselektronik 138 in dem Hochstrombauelement 134 integriert. Der Lichtleiter 132 bzw. das Lichtleiterbündel ist auf der Unterseite des Hochstrombauelements 134 vorgesehen und senkrecht durch die Leiterplatte 124 geführt. Die Ausführungsbeispiele zeigen den Lichtleiter 132 nur schematisch. Es versteht sich, dass für eine bidirektionale Kommunikation auch zwei oder mehr Lichtleiter verwendet werden können.

Ausführungsbeispiel 5 (Fig. 13 und Fig.14)

Figur 13 und Figur 14 zeigen eine alternative Ausgestaltung der Lichtleiterführung. Der Lichtleiter 132 ist seitlich aus dem Hochstrombauelement 134 herausgeführt. Er kann dann parallel zur Leiterplatte 124 nach außen geführt werden. Die Figuren illustrieren, wie der Lichtleiter 132 bzw. ein Lichtleiterbündel durch einen Schlitz 140 auf die Unterseite der Leiterplatte 124 geführt wird und dann parallel verläuft. Es versteht sich, dass der Lichtleiter 132 bzw. das Lichtleiterbündel auch entlang der Oberfläche der Leiterplatte geführt sein kann.

Figur 13 und 14 zeigen ein Hochstrombauelement, welches für eine durchgehende Hochstromleitung vorgesehen ist. Es versteht sich, dass die Kontaktierung des Hochstrombauelements mit der Hochstromleitung auch auf andere Weise erfolgen kann. Mit 142 ist eine partielle Isolationsschicht auf der der Leiterplatte 124 zugewandten Seite bezeichnet. Mit der Isolations Schicht 142 werden die Zuleitungen gegenüber dem Hochstrombauelement zusätzlich isoliert. Die Isolations Schicht 142 besteht aus einem formbeständigen Isolator, beispielsweise aus Kunststoff. Es versteht sich, dass auch viskose Isolatoren verwendet werden können.

Ausführungsbeispiel 6 (Fig. 15 bis 191

Figuren 15 und 17 zeigen schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel mit drei ansonsten bekannten Hochstrom-Bauelementen 200, 202 und 204 und einer erfindungsgemäßen Funktionselektronik 206. Die Funktionselektronik 206 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einen Kunstharzblock eingegossen. Der Kunstharzblock bildet einen gemeinsamen Träger für die Funktionselektronik und die Hochstrom-Bauelemente 200, 202 und 204. Unter dem Begriff „Funktionselektronik“ sollen allgemein die elektronischen Komponenten mit oder ohne Träger, beispielsweise Kunstharzblock, verstanden werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind - beispielhaft - drei Hochstrom-Bauelemente mit einer gemeinsamen Funktionselektronik 206 vorgesehen. Die Funktionselektronik 206 umfasst Komponenten 220, welche mit den Hochstrom-Bauelementen Zusammenwirken. Der Bauraum 212, 214 und 216 für die Hochstrom-Bauelemente 200 202 und 204 ist in Figur 18 und Fig.19 zu erkennen. Die Anordnung ermöglicht es beispielsweise die Phase der Ströme durch mehrpolige Kontakte zu messen und auszuwerten. Durch Phasenunterschiede erzeugte Potentialdifferenzen können zur Energieversorgung der Funktionselektronik eingesetzt werden. Eine optische Schnittstelle 208 mit optischem Wandler 222 erlaubt die Konfiguration, Steuerung und Signalübertragung nach außen.

Die Kontaktierung der Hochstrom-Bauelemente 200 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über Kontaktpins 210, die in Figuren 15 und 16 gut zu erkennen sind.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist die Funktionselektronik als Niederstrom- Anwendung ausgestaltet, die galvanisch von der Hochstrom- Anwendung getrennt ist.

Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Illustration der in den Ansprüchen beanspruchten Erfindung. Merkmale, welche gemeinsam mit anderen Merkmalen offenbart sind, können in der Regel auch alleine oder in Kombination mit anderen Merkmalen, die im Text oder in den Zeichnungen explizit oder implizit in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, verwendet werden. Maße und Größen sind nur beispielhaft angegeben. Dem Fachmann ergeben sich geeignete Bereiche aus seinem Fachwissen und brauchen hier daher nicht näher erläutert werden. Die Offenbarung einer konkreten Ausgestaltung eines Merkmals bedeutet nicht, dass die Erfindung auf diese konkrete Ausgestaltung beschränkt werden soll. Vielmehr kann ein solches Merkmal durch eine Vielzahl anderer, dem Fachmann geläufigen Ausgestaltungen verwirklicht werden. Die Erfindung kann daher nicht nur in Form der erläuterten Ausgestaltungen verwirklicht werden, sondern durch alle Ausgestaltungen, welche vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abgedeckt sind.

Die Begriffe "oben", "unten", "rechts" und "links" beziehen sich ausschließlich auf die beigefügten Zeichnungen. Es versteht sich, dass beanspruchte Vorrichtungen auch eine andere Orientierung annehmen können. Der Begriff "enthaltend" und der Begriff "umfassend" bedeuten, dass weitere, nicht-genannte Komponenten vorgesehen sein können. Unter dem Begriff "im Wesentlichen", "vorwiegend" und "überwiegend" fallen alle Merkmale, die eine Eigenschaft oder einen Gehalt mehrheitlich, d.h. mehr als alle anderen genannten Komponenten oder Eigenschaften des Merkmals aufweisen, also bei zwei Komponenten beispielsweise mehr als 50%.