DE69702719T2 - Elektrische sicherung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Sicherung mit einer Serienschaltung aus einem PTC-Element und einem Schmelzleiter.
• Aus der Patentschrift DE 41 43 095 ist ein derartiger elektrischer Baustein zum Schutz vor Überlastungen durch überhöhte Ströme bekannt. Ein PTC-Element arbeitet im Schaltbetrieb, in dem sich eine dem Stromfluß entsprechende Temperatur einstellt, die wiederum den Widerstand des PTC-Elementes bestimmt. Zum Schutz jeweils eines PTC-Elementes vor thermischer Überlastung ist eine Reihenschaltung des PTC-Elementes mit einem Schmelzleiter vorgesehen. Zwischen das PTC-Element und den Schmelzleiter wird ein leitendes Anschlußelement geschaltet. Es dient als leitende Verbindung zwischen dem Schmelzleiter und dem PTC-Element, als Kühlkörper für das PTC-Element und gleichzeitig als Schutzgehäuse für den Schmelzleiter. Der Schmelzleiter ist so ausgelegt, daß er das PTC-Element im Fall einer großen Überlastung, die zur Zerstörung des PTC-Elementes oder zum Abbrand der Schaltung führen kann, galvanisch von den äußeren Kontakten trennt. In dem Augenblick des Aufschmelzens bzw. des Verdampfens des Schmelzdrahtes dient das kompliziert aufgebaute Anschlußelement überdies als Plasma-Fänger.
• Die internationale Patentanmeldung WO 95/35577 offenbart eine elektrische Sicherung, die eine Reihenschaltung eines scheibenförmigen PTC-Elementes mit einem Schmelzelement einer gedruckten Schaltung beinhaltet. Dabei wird das keramische PTC- Element auf einer Seite eines die gedruckte Schaltung tragenden Substrates durch Klemmkontakte leitend verbunden, wobei der Schmelzleiter in Form des gedruckten Schmelzelementes auf der Rückseite des Substrates angeordnet ist. Das PTC-Element soll dabei innerhalb seines reversiblen Schaltbereiches durch schnelle und große Widerstandsänderungen eine nachfolgende elektrische Schaltung schützen können. Der Überlastbereich des PTC-Elementes ist durch einen Stromfluß von 10-40 A bei einer Spannung von 600 V definiert. Hier soll durch die extrem flinke Schmelzsicherung eine vollständige galvanische Trennung des Stromkreises zum Schutz des PTC-Elementes vor Abbrand bzw. Explosion vollzogen werden.
• Die Anordnung der einzelnen Elemente sowie der Aufbau der Schaltung mit der Kontaktierung des PTC-Elementes lassen eine rationelle Fertigung der Schaltung nicht zu, wobei einer Miniaturisierung durch die für einen niedrigen Normalwiderstand des keramischen PTC-Elementes erforderliche Größe dieses Bauteils enge Grenzen gesetzt sind.
• Nach dem Stand der Technik wird der kritische Bereich mit der wahrscheinlichen Zerstörung des PTC-Elementes durch einen geeignet ausgelegten Schmelzleiter abgedeckt. Dabei gehen beide genannte Schriften davon aus, daß das PTC-Element unterhalb eines kritischen Bereiches, der durch Überspannungen und thermische Überlastungen oder hohe Ströme definiert wird, dauerhaft und ohne Änderung der vorbestimmten Eigenschaften im Schaltbetrieb als temperaturgesteuerter Widerstand arbeitet. Diesen PTC-Eigenschaften entsprechend werden die Schmelzleiter ausgelegt. Bei einer Erhöhung des Normalwiderstandes eines PTC-Elementes im Betrieb, beispielsweise durch Alterungserscheinungen, wird der Punkt einer aus Sicherheitsgründen erforderlichen galvanischen Trennung verschoben, ohne daß das Auslöseverhalten des Schmelzleiters angepaßt werden kann.
• Ferner besitzt jedes PTC-Element in seinem Schaltverhalten eine wesentlich größere Trägheit als eine Schmelzsicherung mit träger Charakteristik.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Sicherung der genannten Art mit einfachem und kompaktem Aufbau unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das PTC-Element und der Schmelzleiter eine enge thermische Kopplung aufweisen.
• Eine erfindungsgemäße elektrische Sicherung umfaßt eine Serienschaltung aus einem PTC-Element und einem Schmelzleiter, wobei einer alterungsbedingten Veränderung des Widerstandes des PTC-Elementes Rechnung getragen wird. So weist ein PTC- Element bereits nach mehrfachem Durchlaufen des reversiblen Schaltintervalls einen ansteigenden Normalwiderstand auf. Bei gleichem Stromfluß wird somit in ansteigendem Maße Wärme produziert. Eine erfindungsgemäße, enge thermische Kopplung des Schmelzleiters an das PTC-Element stellt den thermischen Arbeitspunkt des Schmelzleiters entsprechend den Vorgaben durch das PTC-Element ein. Damit wird in ganz wesentlichem Maße das Schaltverhalten des Sicherungselementes beeinflußt. In Abhängigkeit von der Temperatur des PTC-Elementes löst der Schmelzleiter so bei hoher Temperatur des PTC-Elementes bereits bei geringen zusätzlichen, auch extrem kurzzeitigen Überlastungen bzw. Überlastspitzen aus.
• Bei hohen Überströmen reagiert das PTC-Element für die meisten Anwendungen zu träge und bietet daher keinen ausreichenden Schutz. Dieses sehr träge Verhalten kann bereits weit vor dem Erreichen einer für das PTC-Element kritischen Temperatur zu einer Überlastung der sich anschließenden elektrischen Schaltung und zu deren Beschädigung führen. Die erfindungsgemäße thermische Kopplung des Schmelzleiters an das PTC-Element ermöglicht es, die im hohen Strombereich zu träge Charakteristik des PTC-Elementes durch die Charakteristik des Schmelzleiters zu ersetzen. Damit ergibt sich eine neuartige Sicherungscharakteristik, deren Eigenschaften sich sowohl durch das PTC-Element als auch durch den Schmelzleiter einstellen lassen. Dieses neuartige Verhalten einer erfindungsgemäßen Sicherung wird nachfolgend anhand eines skizzierten Kennlinienfeldes noch eingehend erläutert werden.
• In einer Weiterbildung wird die enge thermische Kopplung zwischen dem PTC-Element und dem Schmelzleiter dadurch herbeigeführt, daß der Schmelzleiter eine Zuleitung zu einem Kontakt des PTC-Elementes bildet. Damit ist neben dem direkten elektrischen Kontakt auch ein sehr guter thermischer Kontakt geschaffen. Im Betrieb wird sich im Bereich der Kontaktstelle zwischen Schmelzleiter und PTC-Element ein thermisches Gleichgewicht einstellen, das maßgeblich durch die Verlustwärme des PTC-Elementes bestimmt wird. Somit wird der thermische Arbeitspunkt des Schmelzleiters durch das PTC-Element eingestellt.
• Vorteilhafterweise kann der Schmelzleiter als Draht oder Flachdraht ausgebildet werden. Vorzugsweise wird hier ein Schmelzdraht eingesetzt, wie er bereits in erprobten Schmelzsicherungen Verwendung findet. Insbesondere bei sehr kleinen Abmessungen kann auch ein Bonddraht als Schmelzleiter eingesetzt werden, durch den ein äußerer Kontakt mit einem Kontakt des PTC-Elementes elektrisch leitend verbunden wird. In jedem Fall werden so zugleich die Aufgaben der Kontaktierung des PTC-Elementes und der Schaffung eines Schmelzleiters erfüllt, wobei die vorgeschlagene Kontaktierungsart sich noch durch die Fähigkeit zum Dehnungsausgleich zwischen ihren Kontaktstellen auszeichnet. Die Bedeutung dieser Eigenschaft wird besonders in Zusammenhang mit Anspruch 9 deutlich.
• Die Verwendung eines Drahtes als Schmelzleiter vereinfacht die Fertigung einer erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung erheblich und minimiert insgesamt auch den schaltungstechnischen Aufwand. Der enge thermische Kontakt tritt im Fußpunkt des Drahtes an der Oberfläche des PTC-Elementes auf und garantiert ein zuverlässiges Abschalten bei galvanischer Trennung bei anhaltend überhöhter Erwärmung des PTC-Elementes. Insbesondere werden neben den zwei genannten Elementen der Sicherung nur noch zwei äußere Kontakte sowie ein die Gesamtanordnung tragendes Substrat bzw. Sicherungsgehäuse benötigt, wie nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben wird.
• Nach Anspruch 4 kann als Schmelzleiter auch eine elektrisch leitende Schicht eingesetzt werden, um eine Zuleitung zu einem Kontakt des PTC-Elementes zu bilden. Zur Anpassung an die Aufgabe eines Schmelzleiters weisen derartige elektrisch leitende Schichten an mindestens einer Stelle eine Verengung auf, die beim Auslösen der Schmelzsicherung unterbrochen wird. Beim Einsatz in einer erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung kann die Verengung durch eine entsprechende Nähe zum PTC-Element thermisch eng angekoppelt werden. Gegenüber dem Stand der Technik werden in dieser Ausführungsform das Sicherungselement und das PTC-Element auf der gleichen Seite eines die Gesamtanordnung tragenden Substrates angeordnet. Dadurch wird die Isolation bzw. Abschottung der gesamten Sicherungsanordnung gegenüber der Umgebung sowie die Herstellung vereinfacht.
• Nach Anspruch 6 kann der Schmelzleiter auch als Dickschichtleiter gebildet werden. Die Vorteile einer derartigen Ausführungsform werden insbesondere bei der Verwendung einer pastösen PTC-Masse offensichtlich, da in diesem Fall die gesamte elektrische Sicherung mit ihren kombinierten Elementen in einheitlicher Weise als Dickschichtschaltung gefertigt werden kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird die thermische Kopplung zwischen PTC-Element und Schmelzleiter dadurch besonders intensiviert, daß der Schmelzleiter auf dem PTC-Element angeordnet ist. Dabei befindet sich der Schmelzleiter insbesondere auf einer Anschlußelektrode des PTC-Elementes. Vorteilhafterweise wird der Schmelzleiter direkt von einer als Kontaktfläche dienenden Metallisierung des PTC-Elementes getragen, wobei der Schmelzleiter mit Ausnahme einer Anschlußstelle durch eine elektrisch isolierende Schicht vom PTC-Element und/ oder der Metallisierung elektrisch getrennt ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann bei geeigneter Materialauswahl sehr dünn ausfallen, so daß der thermische Widerstand zwischen PTC-Element und Schmelzleiter äußerst gering ist. So dient das PTC-Element mit guter thermischer Kopplung selber als Substrat für den Schmelzleiter. Ohne ein eigenes Substrat kann die erfindungsgemäße Sicherung mit einem sehr kompaktem Aufbau bei einer minimalen Anzahl von Einzelteilen und Prozeßschritten hergestellt werden. Der Schmelzleiter kann dabei je nach angestrebter Auslösecharakteristik als Draht oder als Schichtschmelzleiter ausgeführt werden. Bei Überdeckung des Schmelzleiters durch eine Abdeckmasse bzw. aushärtbare, thermisch stabile Paste kann in einigen Fällen sogar auf ein Außengehäuse verzichtet werden, wie anhand eines Ausführungsbeispiels noch gezeigt wird.
• In einer Weiterbildung der vorstehend beschriebenen elektrischen Sicherung ist der Kontakt, der der Anschlußfläche des Sicherungselementes gegenüberliegt, auf der elektrisch isolierenden Schicht als Terminierungsfläche ausgebildet. An der Terminierungsfläche ist mindestens ein äußeres Anschlußelement befestigt, insbesondere ein drahtförmiges Anschlußbein. Somit ist eine erfindungsgemäße Sicherung direkt für den Einbau in gewöhnliche Platinen elektrischer Schaltungen mit Bohrungen geeignet. Aber auch der Einbau in bekannte Gehäusebauformen mit Anpassung an die IEC-Normraster ist mit Kontaktierung der Gehäuseanschlüsse an den Terminierungsflächen möglich.
• In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung besteht das PTC-Element aus einem Polymermaterial. Dieses Material zeichnet sich durch eine mit der Temperatur extrem ausfallenden Widerstandsveränderung aus. Die Widerstandsänderung wird durch temperaturbedingte Wärmedehnung hervorgerufen. Zum Ausgleich dieser Dehnungsbewegung wird bei Kontaktierung in Dehnungshauptrichtung die Verwendung eines drahtförmigen Schmelzleiters bevorzugt. Es ist jedoch auch eine dauerhafte Kontaktierung senkrecht zur Hauptdehnungsrichtung möglich. Dieses Merkmal wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
• Die Integration eines PTC-Elementes in miniaturisierbare elektrische Sicherungen kann vorteilhafterweise unter Verwendung folienförmiger Polymerkörper erfolgen. Derartige Polymerkörper lassen sich durch ihre flächige Form zuverlässig kontaktieren und weisen bei geringem Eigengewicht und guten PTC-Eigenschaften nur eine sehr geringe Bauhöhe auf. Nach Anspruch 11 werden PTC-Elemente des beschriebenen Typs bevorzugt, deren temperaturbedingte Dehnungen im wesentlichen einer Hauptrichtung folgen, so daß die Dehnungsrichtung vorteilhafterweise senkrecht, zu einer gegebenen Auflagefläche des PTC-Elementes stattfindet.
• Eine erfindungsgemäße elektrische Sicherung ist auch durch Kontaktierung eines keramischen PTC-Elementes oder eines durch einen Sinterkörper gebildeten PTC-Elementes in der beschriebenen Art vorteilhaft möglich. Beispielsweise kann Bariumtitanat (BaTiO&sub3;) als PTC-Element in einer erfindungsgemäßen Sicherung eingesetzt werden, wodurch die Eigenschaften einer solchen Sicherung gegenüber vergleichbaren Sicherungen nach dem Stand der Technik deutlich verbessert werden.
• In einer Weiterbildung wird die Anordnung einer erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung so gewählt, daß sie auch in bekannte Gehäuse einsetzbar ist, wodurch ein bereits erprobter und zuverlässiger Schutz gegenüber der äußeren Umgebung gegeben ist. Zudem werden derartige Gehäuse in gängigen Normrastern in großer Zahl gefertigt und bieten der sehr kompakten Anordnung einer erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung ausreichend Raum.
• Nach Anspruch 14 ist die Abmessung einer erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung soweit reduzierbar, daß sie als SMDbestückbares Element ausgeführt werden kann. Damit ist eine erfindungsgemäße Sicherung geschaffen worden, die ohne Probleme in moderne Produktions- und Bestückungsprozesse automatengerecht integriert werden kann.
• Die Schaltcharakteristik des Schmelzleiters wird thermisch durch die Verlustwärme des PTC-Elementes gesteuert. Sie kann im Abschaltaugenblick jedoch noch vorteilhaft durch lichtbogenhemmende bzw. lichtbogenlöschende Materialien unterstützt werden. Derartige Materialien werden vorzugsweise im Bereich der Durchschmelzzone des Schmelzleiters angeordnet.
• Nach Anspruch 16 wird der Schmelzleiter derart aufgebaut, daß im Betrieb ein Diffusionsprozeß ablaufen kann. Das führt zu einem gegenüber flinken Sicherungen trägeren Abschaltverhalten des Schmelzleiters. Insbesondere wird hierzu auf dem Schmelzleiter galvanisch eine Schicht aus Zinn aufgetragen, die in Abhängigkeit von der Temperatur von der Oberfläche in das Innere des Schmelzleiters diffundiert.
• Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Sicherungen nach dem Stand der Technik ergibt sich auch bei Berücksichtigung bzw. Verwirklichung aller vorstehend genannten Merkmale und Weiterbildungen der Erfindung stets ein einfacher und gut miniaturisierbarer Aufbau bei stark verbesserten Schalteigenschaften.
• Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen zeigen:
• Fig. 1 eine Skizze eines Kennlinienfeldes;
• Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Sicherung ohne umgebendes Gehäuse;
• Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Sicherung ohne Gehäuse und
• Fig. 4a, 4b zwei skizzierte Ansichten einer weiteren Ausführungsform einer Sicherung.
• Fig. 1 zeigt als skizziertes Beispiel eine Kennlinie einer elektrischen Sicherung, die aus einer Serienschaltung eines PTC-Elementes und einem thermisch angekoppelten Schmelzleiter besteht. Hierin sind in doppelt logarithmischer Darstellung die Kennlinien eines PTC-Elementes sowie eines Sicherungsschmelzleiters als Schaltzeit t über der Stromstärke I aufgetragen. Dabei liegt die Kennlinie des PTC-Elementes im Bereich niedriger Ströme vor der Kennlinie des Sicherungsschmelzleiters. Im Bereich höherer Ströme laufen die Kennlinien schließlich in einem Schnittpunkt zusammen. Anschließend laufen die Kennlinien bei weiter ansteigenden Strömen weiter auseinander, wobei der Sicherungsschmelzleiter mit seiner Kennlinie stets deutlich vor der Kennlinie des PTC-Elementes liegt. Der Schmelzleiter reagiert also in diesem Bereich wesentlich früher als das PTC-Element.
• Der Schnittpunkt beider Kennlinien definiert so die Grenze zwischen zwei Bereichen, in denen sich eine thermisch gekoppelte Serienschaltung aus beiden Elementen stark unterschiedlich verhält. In dem Bereich links vom Schnittpunkt wird durch das PTC-Element eine Überlastregelung bei reversibler Trennung durch Regulierung des eigenen Widerstandes bewirkt, also in Form eines wiederholbaren Schaltvorganges. Rechts des Schnittpunktes liegt der Bereich der dauerhaften und vollständigen galvanischen Trennung, in dem bei bereits stark angewachsener Temperatur des PTC-Elementes der Schmelzleiter eine galvanische Trennung der Schaltung zum Schutz vor Schäden vornimmt, die entweder temperaturbedingt am PTC-Element oder durch das zu träge Schaltverhalten des PTC-Elementes allein an der nachfolgenden Schaltung auftreten können.
• Der Schnittpunkt als Grenze zwischen den Bereichen reversibler und galvanischer bzw. irreversibler Trennung stellt nur bei konstanter Temperatur des PTC-Elementes und damit konstanter Arbeitstemperatur des Sicherungsschmelzleiters einen festen Punkt dar. Hier ist er beispielhaft für eine Temperatur von 125ºC dargestellt. Dieser Punkt verschiebt sich mit der gesamten Schmelzsicherungskennlinie aufgrund der engen thermischen Kopplung der Temperatur des PTC-Elementes entspre chend, wie in Fig. 1 durch die Pfeile angedeutet wird. Damit wird auch der Betrieb des PTC-Elementes im kritischen Strombereich vermieden.
• Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform einer Sicherung 1, die aus einer Reihenschaltung eines PTC-Elementes 2 und eines Schmelzleiters 3 gebildet wird. Der Schmelzleiter 3 dient hierbei in Form eines Drahtes 4 als Zuleitung von einem nach außen führenden Kontakt 6 zu einer Anschlußstelle 7 des PTC-Elementes 2. Das PTC-Element 2 wird im vorliegenden Fall vorzugsweise als Polymer 8 mit PTC-Eigenschaften ausgeführt. Das Polymer 8 zeichnet sich durch eine Vorzugs-Dehnungsrichtung 9 aus. Es wird von verschiedenen Herstellern als folienförmiger Polymerkörper 10 hergestellt, von dem lediglich ein dem Einsatz angepaßter Abschnitt in die Sicherung 1 eingebaut wird. Hier sind in Ebenen senkrecht zu der Vorzugs-Dehnungsrichtung 9 auf dem Abschnitt des folienförmigen Polymerkörpers 10 Metallisierungen 12 angebracht. Die obere Metallisierung 12 bildet die Anschlußstelle 7 für den Draht 4; die untere Metallisierung 12 wird leitend mit einem zweiten äußeren Kontakt 6 verbunden, beispielsweise durch eine elektrisch leitende Verbindungsschicht 13, die aus einem Leitkleber oder einer Lötpaste besteht.
• Der Draht 4 verläuft zwischen der Verbindungsschicht 13 auf dem linken Kontakt 6 und der Metallisierung 12 des Polymers 8 frei. Dieser Bereich 14 kann innerhalb eines hier nicht weiter dargestellten Sicherungsgehäuses mit einem lichtbogenlöschenden bzw. lichtbogenhemmenden Material verfüllt werden. Dadurch kann neben einer Führung auch eine mechanische Stabilisierung des Drahtes 4 gebildet werden.
• Es besteht auch die Möglichkeit, daß der Bereich 14, in dem sich die Durchschmelzzone des Schmelzleiters befindet, zum Schutz des PTC-Elementes 2 vor einem Lichtbogen durch eine Vergußmasse abgedeckt wird. Im Fall sehr starker Miniaturisierung bzw. zur Bildung einer Schmelzsicherung kann der Draht 4 auch durch einen Bonddraht ersetzt werden. Aufgrund der thermischen Kopplung ist eine extrem flinke Charakteristik des Schmelzleiters generell nicht erforderlich.
• Der Draht 3 ist an seiner Oberfläche mit einem Überzug aus Zinn versehen, der vorzugsweise galvanisch aufgetragen wird. Der Draht 3 selber besteht beispielsweise aus Silber, Kupfer oder auch Gold. Die Oberflächenbeschichtung mit Zinn bewirkt, daß im Betrieb des Schmelzleiters ein temperaturabhängiger Diffusionsprozeß ablaufen kann, durch den das Abschaltverhalten des Drahtes im Vergleich mit flinken Schmelzsicherungen zunehmend träger wird. Ein ähnliches Vorgehen bietet sich auch bei anderen Schmelzleiterbauformen an.
• Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherung. Hier ist auf einem Substrat 15 eine elektrisch leitende Schicht 16 aufgetragen worden, die an einer Stelle 17 eine Verengung 18 aufweist. Die so gebildete leitende Schicht 16 kann beispielsweise als Dickschicht in einem Siebdruckverfahren hergestellt werden. Alternativ ist auch neben einer gedruckten Schaltung eine photochemisch hergestellte Platine für diesen Einsatzzweck denkbar. Die äußeren Kontakte 6 werden an dem Substrat 15 galvanisch oder als gesinterte Pasten angebracht. Im vorliegenden Fall erstreckt sich die leitende Schicht 16 vom linksseitigen Kontakt 6 bis kurz vor den rechtsseitigen Kontakt 6. Zwischen dem rechtsseitigen Kontakt 6 und der leitenden Schicht 16 ist die direkte elektrische Verbindung in einem Bereich 19 unterbrochen. Der Unterbrechungsbereich 19 wird durch einen Abschnitt des folienförmigen Polymerkörpers 10 des PTC-Elementes 2 abgedeckt, der auf der einen Seite leitend mit dem breiten Ende der Schicht 16 und auf der anderen Seite mit dem äußeren Kontakt 6 elektrisch leitend verbunden ist. Somit ist zwischen den beiden äußeren Kontakten 6 wiederum eine Serienschaltung aus einem Schmelzleiter 3 und einem PTC-Element 2 in einer weiteren Ausführungsform hergestellt worden. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Bereich 14 der Durchschmelzzone des Schmelzleiters 3 eng benachbart zu dem PTC- Element 2 angeordnet ist, wodurch eine enge thermische Kopplung verwirklicht wird. Dieser Durchschmelzbereich 14 kann im vorliegenden Fall durch eine Vergußmasse mit geeigneten lichtbogenlöschenden Materialeigenschaften abgedeckt werden.
• Die in Fig. 3 dargestellte Sicherung stellt einen Prototyp eines SMD-bestückbaren Elementes 20 dar. Vereinheitlicht werden kann der Prozeß zur Herstellung eines derartigen Elementes dadurch, daß das PTC-Element ebenfalls als Paste in einem Siebdruck- bzw. sonstigen Dickschichtverfahren aufgetragen wird. Es können jedoch auch herkömmliche Standard-PTC-Elemente eingesetzt werden, beispielsweise als Abschnitte einer Polymerfolie 10. Derartige folienförmige Polymerkörper 10 sind regelmäßig an beiden Oberflächen mit Metallisierungen 12 als Kontakte versehen. Für den Einsatz in der vorliegenden Ausführungsform einer Sicherung 1 wird die Kontaktfläche, die mit dem Schmelzleiter 3 und dem äußeren Kontakt 6 verbunden werden würde zur Vermeidung eines Kurzschlusses in dem Bereich 19 aufgetrennt. So fließt der Strom vom Ende des Schmelzleiters 3 bis zu dem Kontakt 6 durch das PTC-Element 2 hindurch.
• Analog zu der vorstehend beschriebenen Integration eines folienförmigen Polymerkörpers 10 kann bei Einsatz eines ähnlich aufgebauten Keramikkörpers, beispielsweise aus Bariumtitanat, verfahren werden. So ist die Herstellung der zu den Fig. 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen unter Verwendung aller gängigen PTC-Bauformen unproblematisch.
• Aufgrund der bewußt gewählten thermischen Kopplung zwischen Schmelzleiter und PTC-Element sowie der Leistungsfähigkeit moderner PTC-Materialien können die Abmessungen der beschriebenen Sicherungen so klein sein, daß sich beispielsweise die in den Fig. 2 und 3 dargestellten und beschriebenen Sicherungsanordnungen in bekannten Sicherungsgehäusen, wie z. B. dem der TR5® oder der SM3®, einbauen lassen. Dadurch erhalten die Sicherungen eine zusätzliche äußere Schutzhaube. Sie sind somit gegen äußere Einflüsse besser abgeschirmt, und zugleich wird auch die Umgebung im Fall des Abschaltens der Sicherung durch den Schmelzleiter vor austretendem Plasma effektiv geschützt. Zudem sind derartige Gehäuse an die entsprechenden IEC-Rasterabstände der Anschlüsse angepaßt und werden in großer Zahl als Massenartikel gefertigt.
• In den Fig. 4a und 4b sind zwei Ansichten einer weiteren Ausführungsform einer Sicherung 1 skizziert. In dieser sehr kompakten Bauform einer Sicherung 1 ist der Schmelzleiter 3 direkt auf dem PTC-Element 2 angeordnet, wodurch eine sehr intensive thermische Kopplung zwischen beiden Schaltungselementen zur selbsttätigen Anpassung des Schmelzleiter-Arbeitspunktes an Alterungserscheinungen bzw. Normalwiderstandserhöhungen des PTC-Elementes hergestellt wird. Das PTC-Element 2 kann dabei sowohl durch eine Keramik als auch durch einen Kunststoffkörper gebildet werden und dient dem Schmelzleiter 3 zugleich als Substrat. So wird die Sicherung im dargestellten Ausführungsbeispiel ganz ohne ein Substrat 15 aufgebaut werden, im Gegensatz z. B. zu der Bauform von Fig. 2.
• Der Schmelzleiter 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Dickschicht-Schmelzleiter ausgeführt. Er kann jedoch auch als Draht-Schmelzleiter ausgebildet sein, da aufgrund der großen Nähe in beiden Fällen eine gute thermische Kopplung mit dem PTC-Element 2 gewährleistet ist. In jedem Fall befinden sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel beide Anschlußstellen 7 des Schmelzleiters 3 auf dem PTC-Element 2, wobei eine Anschlußstelle 7 direkt auf der Metallisierung 12 angeordnet ist. Die zweite Anschlußstelle 7 befindet zur Vermeidung eines Kurzschlusses des Sicherungselementes 3 auf einer metallischen Terminierungsfläche 22, die ihrerseits auf einer elektrisch isolierenden Schicht 23 befestigt ist. Somit ist die Terminierungsfläche 22 durch die isolierende Schicht 23 von der Metallisierung 12 und dem Material des PTC-Elements 2 elektrisch getrennt. Zu diesem Zweck ist es jedoch, anders als in Fig. 4a dargestellt, nicht nötig, die Metallisierung 12 mit einer Aussparung 24 für die isolierende Schicht 23 zu versehen. Die Schichten sind jeweils sehr dünn und können so leicht übereinanderliegend angeordnet werden.
• Die Terminierungsfläche 22 stellt neben der zweiten Anschlußfläche 7 für den Schmelzleiter 3 auch eine Möglichkeit zur elektrisch leitenden Befestigung eines äußeren Anschlußelementes 25 zur Verfügung. Im diesem Fall sind drahtförmige Anschlußbeine 26 als Anschlußelemente 25 gewählt worden, so daß die Sicherung 1 in gebohrten Platinen eingesetzt werden kann. Selbstverständlich kann die Terminierungsfläche 22 mit dem Schmelzleiter 3 auch einstückig ausgebildet werden, beispielsweise im Fall eines Flachdraht-Schmelzleiters oder eines Schmelzleiters 3 in Form eines Blechstanzteils. Die Befestigung und Kontaktierung an der Metallisierung 12 des PTC-Elementes 2 läuft dann wie gewöhnlich ab. Die Terminierungsfläche 22 kann beispielsweise durch Kleben auf der elektrisch isolierenden Schicht 23 befestigt werden, wobei auch das Material der isolierenden Schicht 23 selber als Klebstoff dienen kann.
• Fig. 4b zeigt die Ausführungsform von Fig. 4a in einer Seitenansicht, aus der der einfache Aufbau des Sicherungselements 1 hervorgeht. Durch Einfügung der isolierenden Schicht 23 ergibt sich ein Strompfad von einem Anschlußbein 26 durch das PTC- Element 2 hindurch zur ersten Anschlußstelle 7 des Schmelzleiters 3, über den Schmelzleiter 3 zur zweiten Anschlußstelle 7 und zur Terminierungsfläche 22 und somit zum zweiten Anschlußbein 26. Durch die Aussparung 24 in der Metallisierung 12 des PTC-Elementes 2 liegen der Schmelzleiter 3 und das PTC-Element 2 nur durch die relativ geringe Dicke der isolierenden Schicht 23 elektrisch voneinander getrennt. Dieser geringe Abstand gewährleistet aber die erwünschte gute thermische Kopplung des Schmelzleiters 3 mit dem PTC-Element 2.
• Bei Abdeckung des Schmelzleiters 3 durch bekannte Abdeckungen bzw. Vergußmassen kann die Ausführungsform von Fig. 4a, 4b auch ohne eigenes Gehäuse eingesetzt werden, da das im Fall des Abschaltens durch den Schmelzleiter freigesetzte Plasma aufgefangen werden kann und so keine Beschädigungen an der umgebenden Schaltung hervorrufen kann.
• Durch den in Fig. 4b in einer Seitenansicht skizzierten kompakten Aufbau ist es auch leicht möglich, diese Ausführungsform ohne weitere konstruktive Anpassungsmaßnahmen in bekannte Gehäusebauformen aus dem Geräte-Sicherungsbereich einzusetzen, wie beispielsweise das der vorstehend genannten TR5®.

Claims (16)

1. Elektrische Sicherung mit einer Serienschaltung aus einem PTC-Element und einem Schmelzleiter,

dadurch gekennzeichnet,

daß das PTC-Element (2) und der Schmelzleiter (3) eine enge thermische Kopplung aufweisen.

2. Elektrische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (3) eine Zuleitung zu einem Kontakt des PTC-Elementes (2) bildet.

3. Elektrische Sicherung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (3) durch einen Draht (4) gebildet wird, insbesondere durch einen Bonddraht.

4. Elektrische Sicherung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (3) durch eine elektrisch leitende Schicht (16) gebildet wird.

5. Elektrische Sicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (16) an mindestens einer Stelle (17) eine Verengung (18) aufweist.

6. Elektrische Sicherung nach Anspruch 4 und/oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (16) des Schmelzleiters (3) durch eine Dickschichtschaltung gebildet wird.

7. Elektrische Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Schmelzleiter (3)

- auf dem PTC-Element (2) angeordnet ist, insbesondere auf einer als Kontaktfläche dienenden Metallisierung (12) des PTC-Elementes (2), wobei

- der Schmelzleiter (3) mit Ausnahme der Anschlußstelle (7) durch eine elektrisch isolierende Schicht (23) vom PTC-Element und/oder der Metallisierung (12) elektrisch getrennt ist.

8. Elektrische Sicherung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

- der der Anschlußfläche (7) gegenüberliegende Kontakt (6)

- auf der elektrisch isolierenden Schicht (23) als Terminierungsfläche (22) ausgebildet ist,

- an der mindestens ein äußeres Anschlußelement (25) befestigbar ist, insbesondere ein drahtförmiges Anschlußbein (26).

9. Elektrische Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Element (2) aus einem Polymer (8) besteht.

10. Elektrische Sicherung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Element (2) durch einen Abschnitt eines folienförmigen Polymerkörpers (10) gebildet wird.

11. Elektrische Sicherung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß temperaturbedingte Dehnungen (9) des PTC-Elementes (2) im wesentlichen senkrecht zu einer Auflagefläche des PTC-Elementes (2) stattfinden.

12. Elektrische Sicherung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Element (2) aus einer Keramik besteht, insbesondere aus Bariumtitanat.

13. Elektrische Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherung (1) in bekannte Gehäuse einsetzbar ist.

14. Elektrische Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherung (1) als ein SMD-bestückbares Element (20) ausgeführt ist.

15. Elektrische Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherung (1) lichtbogenhemmende bzw. lichtbogenlöschende Materialien enthält, die vorzugsweise in einem Bereich (14) der Durchschmelzzone des Schmelzleiters (3) angeordnet sind.

16. Elektrische Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Schmelzleiters (3) mit Zinn überzogen ist und dieser Überzug insbesondere durch einen galvanischen Prozeß aufgebracht wurde.