Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Eine derartige Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät ist aus der

WO2004/002202A1 bekannt. Sie beschreibt eine Leiterplatte, die mit einer

Schutzeinrichtung gegen thermische Überhitzung ausgestattet ist. Zu diesem Zweck wird eine Schmelzbrücke verwendet, die ab einer bestimmten Temperatur die

Stromversorgung des elektrischen Geräts durch Selbstzerstörung unterbricht.

Nachteilig an dieser Methode ist, dass zum Auslösen der Schmelzbrücke eine

Temperatur deutlich über der normalen Betriebstemperatur notwendig ist und somit andere Elemente möglicherweise vor dem Auslösen bereits zerstört oder zumindest vorgeschädigt werden. Zudem ist die Anordnung der Schutzeinrichtung innerhalb des Gerätes ausschlaggebend für den Zeitpunkt der Auslösung, da es von dem Zeitpunkt der Überhitzung bis zum Erkennen der Überhitzung eine bestimmte Zeit benötigt. Außerdem nimmt die Intensität der Hitze mit dem Abstand stark ab, wodurch es vorkommen kann, dass ein als Schmelzbrücke ausgebildeter Sensor vom Hitzeherd zu weit entfernt ist und somit nicht reagiert. Darüber hinaus wird die Schmelzbrücke nach deren Auslösung zerstört und muss zu Reparaturzwecken ausgetauscht werden.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die Reaktionszeit verbessert wird und die Überhitzungserkennung nicht durch die Anordnung des Sensors beschränkt bzw. eingeschränkt ist. Diese Aufgabe wird bei einer Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, eine thermische Überlastung mittels eines optischen Sensors zu erfassen. Vorteilhaft an dieser Lösung ist es, dass ein optischer Sensor große Teile des Gerätes innerhalb seines direkten Sichtbereiches, oder durch Erfassung von

Reflexionen auch außerhalb des direkten Sichtbereiches überwachen kann. Zudem kann eine Überhitzung durch Rauch oder Flammen erkannt werden, bevor die

Hitzewirkung den Sensor erreicht, wodurch die Schutzeinrichtung besonders früh reagiert und dadurch weitere Beschädigungen des Gerätes vermieden werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mehrere Sensoren an unterschiedlichen Stellen des Gerätes angeordnet sind. Somit können auch komplexe, eventuell verwinkelte Bauformen des elektrischen Geräts, oder zum Beispiel zwei Seiten einer Leiterplatte vollständig überwacht werden.

Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Sensor mittels wenigstens eines Lichtleiters oder eines spiegelnden Elementes mit anderen Stellen des Gerätes in Wirkverbindung angeordnet ist. Diese Ausbildung ermöglicht es, mit dem Sensor Stellen zu überwachen, an denen eine Anbringung des Sensors ungünstig oder unmöglich wäre. Werden mehrere Lichtleiter verwendet, um Licht zu einem Sensor zu leiten, so bietet dies die Möglichkeit, mit einem einzigen Lichtsensor mehrere Stellen des Gerätes zu erfassen und somit mit einem einzigen Sensor die Vorteile von mehreren Lichtsensoren zu erhalten.

Besonders bevorzugt ist die Ausbildung des optischen Sensors als Lichtsensor.

Derartige Lichtsensoren zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Anschaffungskosten gering sind und, dass sie einen geringen Stromverbrauch aufweisen. Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, in der der Lichtsensor einen bestimmten Teil des Lichtspektrums misst. Besonders eignet sich Licht im

nahinfraroten Bereich, d.h. Licht im Wellenlängenbereich von 700 nm bis 5μιη. Dieser Wellenlängenbereich ist von Störungen durch Partikel, wie sie beispielsweise durch Qualm verursacht werden, wenig betroffen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der optische Sensor mit einer

Auswerteschaltung gekoppelt. Eine derartige Auswerteschaltung ermöglicht es, je nach Anwendung, verschiedene Maßnahmen zu treffen, um beispielsweise weitere

Beschädigungen des elektrischen Geräts zu vermeiden. So ist es auch möglich, eine Warnmeldung auszugeben, die einem Benutzer die Möglichkeit gibt, auf die

Überhitzung individuell zu reagieren.

Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die Auswerteschaltung bei einer

Erfassung einer thermischen Überlastung eine Stromunterbrechung bewirkt. Hierdurch kühlen die Bauteile ab und der Überhitzung wird entgegengewirkt. Weiterhin lassen sich Folgeschäden vermeiden. Die Stromunterbrechung kann reversibel erfolgen, sodass eine Wiederinbetriebnahme, möglicherweise nach Austausch der

Störungsverursachenden Teile, möglich ist.

Die Stromunterbrechung kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch ein sich selbst zerstörendes Bauelement erfolgen. Beispielsweise kann eine

Pyrosicherung verwendet werden, die sich bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur selbst zerstört. Sie hat den Vorteil, dass sie einfach austauschbar ist und die Stromversorgung bleibend unterbrochen ist, wodurch nachfolgende Fehlfunktionen ausgeschlossen werden.

Das elektrische Gerät ist bevorzugt ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug. Hier ist eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung sinnvoll, da das Steuergerät an einer kritischen Stelle angeordnet sein kann, zum Beispiel im Motorraum, so dass insbesondere eine Ausbreitung eines Brandes schwere Folgen, bis zum

Fahrzeugbrand, haben kann. Von Vorteil ist es, wenn das elektrische Gerät ein insbesondere lichtundurchlässig ausgebildetes Gehäuse aufweist, wodurch sein Innenraum vor äußeren Lichteinflüssen geschützt ist, welche ansonsten zu Fehlauslösungen führen können bzw. eine aufwändigere Auswerteschaltung benötigen.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind Oberflächen von Bauteilen oder des

Gehäuses mit einer Verspiegelung oder Metallisierung versehen. Dadurch werden die Reflexionseigenschaften verbessert, wodurch auch Orte im Gehäuse besser erfasst werden, die nicht im direkten Sichtfeld des Sensors liegen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

Diese zeigen in:

Fig. 1 ein vereinfacht dargestelltes Steuergerät im Längsschnitt unter

Verwendung zweier Photodioden und

Fig. 2 ein gegenüber der Fig. 1 abgewandeltes Steuergerät im Längsschnitt unter Verwendung einer Photodiode und eines Lichtleiters.

In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In der Fig.1 ist ein als Steuergerät ausgeführtes elektrisches Gerät 1 dargestellt. Es besitzt ein insbesondere mehrteilig ausgebildetes Gehäuse 10, das aus

lichtundurchlässigem Material, vorzugsweise Metall oder Kunststoff gefertigt ist, wodurch der Innenraum 1 1 des Gehäuses 10 vor Lichteinfall aus der Umgebung geschützt ist. Im Gehäuse 10 ist eine Platine 12 angeordnet.

An der Gehäuseaußenseite befindet sich eine Steckvorrichtung 14 zum elektrischen Anschluss externer Verbindungen an die Platine 12, beispielsweise zum Anschluss an einen Kabelbaum eines Kraftfahrzeuges. Die Steckvorrichtung 14 weist zwei

Steckleisten 15 und 16 auf, die wiederum senkrecht zur Zeichenebene angeordnete Anschlusspins 17 und 18 aufweisen, die über starre Leitungen 19 und 20 mit

Leiterbahnen auf der Platine12 verbunden sind.

Auf der Oberseite 21 der Platine 12 sind ein Lichtsensor in Form einer Photodiode 22 sowie eine mit der Photodiode 22 gekoppelte elektronische Auswerteschaltung 23 in Form eines oder mehrerer elektrischer Bauteile angeordnet. Ebenfalls befinden sich an der Oberseite der Platine 12 weitere elektrische Bauteile als Bestandteil einer elektrischen bzw. elektronischen Schaltung.

Auf der Unterseite 24 der Platine 12 befindet sich ebenfalls ein Lichtsensor, insbesondere wiederum in Form einer mit der Auswerteschaltung 23 gekoppelten Photodiode 25. Die Photodioden 25, 35 und die Auswerteschaltung 23 sind Bestandteil einer Branderkennungseinrichtung 100 für das elektrische Gerät 1 . Die zuletzt genannte Photodiode 25 ist erforderlich, da von der Unterseite 24 der Platine 12 kein Licht zur ersten Photodiode 22 auf der Platinenoberseite 24 gelangen kann, da die Platine 12 ein undurchdringbares Hindernis für das Licht darstellt und die Platine 12 von dem Gehäuse 10 zumindest nahezu spaltlos umgeben ist. Ebenfalls befinden sich an der Unterseite 24 weitere Bauteile als Bestandteil der elektrischen bzw.

elektronischen Schaltung.

Die beiden Photodioden 22 und 25 sind jeweils nahe des zentralen Bereichs 26 der Platine 12 angeordnet, damit sie einen möglichst großen Bereich des Innenraums 1 1 im Gehäuse 10 abdecken bzw. überwachen können. Die Photodioden 22, 25 sind vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass sie Licht im nahinfraroten Bereich erfassen, da dieser Lichtbereich weniger anfällig für Störungen durch Partikel, wie beispielsweise Qualm, ist. Die Innenseite 29 des Gehäuses 10 bzw. die Bauteile der elektrischen bzw. elektronischen Schaltung bzw. die Platine 12 können metallisiert oder verspiegelt ausgebildet sein, damit das Licht etwaiger Flammen an ihnen reflektiert wird und so zu einer der Photodioden 22 oder 25 gelangt.

Unter Reflexion bzw. einer Verbesserung der Reflexionseigenschaften der Oberflächen wird hierbei verstanden, dass weniger Licht von Oberflächen absorbiert wird und diese somit die reflektierten Lichtstrahlen bei Ankunft an der Photodiode 22, 25 eine höhere verbliebene Lichtintensität - gegenüber Oberflächen mit schlechten

Reflexionseigenschaften - aufweisen. Photodioden ändern je nach Intensität des einfallenden Lichts ihren Arbeitspunkt. So ändert sich beispielsweise im sogenannten Quasi-Kurzschluss-Betrieb je nach Intensität des einfallenden Lichts der

Ausgangsstrom der Photodiode.

Die mit der Auswerteschaltung 23 verbundenen Photodioden 22 und 25 überwachen, in welchem Arbeitspunkt sich die Photodioden 22 und 25 befinden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Signal der jeweiligen Photodiode 22 und 25 und der Auswerteschaltung 26 verstärkt oder auf eine andere Art aufbereitet wird.

Die oben beschriebene Branderkennungseinrichtung 100 arbeitet wie folgt: Im

Normalbetrieb des Steuergeräts erfassen die Photodioden 22 und 25 durch das geschlossene Gehäuse 10 aus lichtundurchlässigem Material kein Licht und somit wird von der Auswerteschaltung 23 keine Störung erkannt, wodurch die Funktion der elektrischen bzw. elektronischen Schaltung durch die Auswerteschaltung 23 und die Lichtsensoren 22 und 25 unbeeinflusst bleibt.

Kommt es auf der Oberseite 21 der Platine 12 zu einem Brand, z.B. infolge einer thermischen Überlastung von Bauteilen der elektrischen bzw. elektronischen Schaltung und einer damit verbunden Flammenbildung, so wird diese von der oberen Photodiode 22 erfasst, indem die Lichtstrahlen der Flammen, entweder direkt oder durch

Reflexionen an der Innenseite 29 des Gehäuses 10 oder den Bauteilen, zur Photodiode 22 gelangen. Die Photodiode 22 reagiert auf die Lichtstrahlen, indem sie ihren

Arbeitspunkt ändert.

Kommt es hingegen auf der Unterseite 24 der Platine 12 zu einer Flammenbildung, so wird diese von der unteren Photodiode 25 erfasst, indem die Lichtstrahlen der

Flammen in analoger Weise zur unteren Photodiode 25 gelangen.

Falls der Arbeitspunkt oder dessen Verlauf von mindestens einer der Photodioden 22 oder 25 die Merkmale einer Flammenbildung aufweisen, werden von der

Auswerteschaltung 23 entsprechende Maßnahmen getroffen. Diese Maßnahmen können in unterschiedlicher Form erfolgen, zum Beispiel dadurch, dass

schnellstmöglich die Stromversorgung des Steuergeräts unterbrochen wird und somit eine weitere Wärmebildung des Steuergeräts unterbunden wird. Diese

Stromunterbrechung kann dadurch erfolgen, dass die Auswerteschaltung 23 eine sich selbst zerstörende Pyrosicherung ansteuert, so dass ein Wiedereinschalten des elektrischen Geräts 1 sicher verhindert wird.

Bei sicherheitstechnisch besonders relevanten Steuergeräten kann es kritisch sein, sofort die Stromversorgung zu unterbrechen, beispielsweise bei einer

Fahrzeugsteuerung, deren Ausfall ein unkontrollierbares Verhalten des Fahrzeugs zur Folge hätte. Hier könnte es sich als sinnvoll erweisen, zuerst eine akustische oder optische Warnmeldung an den Fahrer auszugeben, damit dieser das Fahrzeug kontrolliert zum Stillstand bringen kann. Wird der Stillstand erkannt oder ist eine vorgegebene Zeit abgelaufen, so kann nun die Stromversorgung getrennt werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten modifizierten Steuergerät ist an der Unterseite 24 der Platine 12 keine Photodiode angebracht. Jedoch lassen sich die Bauteile 32 und 33 der elektrischen bzw. elektronischen Schaltung an der Unterseite 24 der Platine 12 jeweils mittels eines Lichtleiters 34, 35 bzw. eines spiegelnden Elementes von der Photodiode 22 an der Oberseite 21 der Platine 12 optisch erfassen. Hierbei sind jeweils die einen Enden 36 und 37 der Lichtleiter 34 und 35 mit den Bauteilen 32 und 33 gekoppelt. Die anderen Enden 38 und 39 der Lichtleiter 34 und 35 sind hingegen mit der Photodiode 22 gekoppelt. Die Lichtleiter 34 und 35 durchdringen die Platine 12 jeweils durch entsprechend ausgebildete Durchgangsbohrungen in der Platine 12.

Kommt es bei einem der Bauteile 32 oder 33 zu einer Flammenbildung, so wird deren Licht über die Lichtleiter 34 bzw. 35 zur Photodiode 22 geleitet. Die Photodiode 22 ändert nun aufgrund der gestiegenen Lichtintensität ihren Arbeitspunkt.

Ergänzend wird erwähnt, dass es bei einem nicht lichtdichten Gehäuse 10, oder für den Fall, dass das elektrische Gerät 1 überhaupt kein Gehäuse 10 aufweist vorteilhaft sein kann, den Verlauf der erfassten Lichtintensität zu überwachen und auf Charakteristika einer Flammenbildung, wie beispielsweise Flackern, zu untersuchen. Ferner liegt es auch im Rahmen der Erfindung mehrere Geräte mittels einer gemeinsamen Branderkennungseinrichtung zu überwachen. Diese

Branderkennungseinrichtung weist dann für jedes Gerät ein oder mehrere Sensoren bzw. in Form von Photodioden oder Lichtleitern auf, die von einer zentralen

Auswerteeinrichtung gesteuert bzw. überwacht werden. Ferner ist es auch denkbar, anstelle von Photodioden andere optische Sensoren zu verwenden, zum Beispiel Kameraeinrichtungen.