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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige Steuergeräte finden vor allem als elektrische Schalter für ein Elektrohandwerkzeug mit einem Elektromotor, wie für ein Akku- und/oder Netz-Elektrowerkzeug, Verwendung. Bei diesen Elektrowerkzeugen kann es sich um Bohrmaschinen, Schleifer, Sägen, Hobel, Winkelschleifer o. dgl. handeln.
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Aus der
DE 195 08 925 A1 ist ein elektrischer Schalter für ein Elektrowerkzeug bekannt, der ein Gehäuse zur Aufnahme einer elektrischen Schaltungsanordnung zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors, und zwar zur Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Elektromotors, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation, aufweist. Im Gehäuse befindet sich ein Trägersubstrat zur Aufnahme von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen für die elektrische Schaltungsanordnung. Die im Gehäuse befindliche Schaltungsanordnung enthält nun wiederum wenigstens ein Bauteil, wie einen Leistungshalbleiter, einen Leistungstransistor, einen MOS-FET, einen Triac o. dgl., das zur entsprechenden Steuerung und/oder Regelung des durch das Bauteil zum Elektromotor fließenden elektrischen Laststroms dient. Darüberhinaus können noch weitere wärmeerzeugende Bauteile im Gehäuse befindlich sein, beispielsweise kann die Schaltungsanordnung eine Freilaufdiode o. dgl. aufweisen. Zur Abführung von Wärme aus dem Gehäuse, und zwar insbesondere der von der Schaltungsanordnung erzeugten Wärme, befindet sich im und/oder am Gehäuse ein Kühlkörper.
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Bei Elektrowerkzeugen mit hoher Leistung ist es oft schwierig, die entstehende Wärme aus einem solchen Schalter abzuführen. Insbesondere ist die Wärmeableitung bei Akkuschaltern aufgrund der dort fließenden großen Ströme ein Kernthema. Bei einem weiteren Schalter nach der
DE 102 12 449 A1 , der vor allem für Akku-Elektrowerkzeuge geeignet ist, wird eine spezielle „Heatsink”-Leiterplatte vorgeschlagen, auf der die wärmeerzeugenden Bauteile angeordnet sind. Allerdings sind die Kosten für diese spezielle Heatsink-Leiterplatte sehr hoch. Für erweiterte Elektronikfunktionen des Schalters muss dann auf eine zusätzliche FR4-Leiterplatte ausgewichen werden, welche die Kosten zusätzlich nach oben treibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Steuergerät derart weiterzuentwickeln, dass die Abführung der Verlustwärme verbessert ist. Insbesondere soll eine Lösung geschaffen werden, bei der lediglich eine einzige Leiterplatte benötigt wird, wobei hierfür eine kostengünstige Leiterplatte in herkömmlicher FR4-Techogie verwendet werden soll. Insbesondere soll dabei ohne technologisch anspruchsvolle Fertigungstechnologien, wie beispielsweise Dampfphasenlöten, ausgekommen werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Steuergerät durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der Erfindung ist erkannt, dass die optimale Ableitung der entstehenden Verlustleistung dann gegeben ist, wenn die Leistungshalbleiter direkt auf dem Kühlkörper kontaktieren. In einer kompakten Bauform ist dies jedoch mit verschiedenen Problemen verbunden. Die Erfindung löst diese Probleme, indem das Trägersubstrat wenigstens eine Aussparung in der Art eines Durchbruchs aufweist und das wärmeerzeugende Bauteil in der Aussparung angeordnet ist, derart dass eine direkte wärmeleitende Verbindung vom wärmeerzeugenden Bauteil zum Kühlkörper ermöglicht ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In weiterer Ausgestaltung bietet es sich für die optimale Wärmeableitung an, dass das Trägersubstrat in unmittelbarer Nähe zum Kühlkörper angeordnet ist. Diese Anordnung erfolgt insbesondere derart, dass das wärmeerzeugende Bauteil sowohl am Trägersubstrat befestigt ist als auch in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kühlkörper steht. Die Befestigung kann dabei so vorgenommen werden, dass eine gewisse Beweglichkeit für das wärmeerzeugende Bauteil geschaffen ist, um so für einen Toleranzausgleich zu sorgen.
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Das Trägersubstrat kann mehrere Aussparungen für mehrere wärmeerzeugende Bauteile besitzen. Vor allem kann eine weitere Aussparung für einen zweiten MOS-FET vorgesehen sein, wobei dieser MOS-FET beispielsweise zum Bremsen des Elektromotors verwendet wird. Es gelingt somit, sämtliche Verlustwärme aus dem Steuergerät in effizienter Weise abzuführen.
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Um einen guten Wärmeübergang zum Kühlkörper sicherzustellen, kann das wärmeerzeugende Bauteil mittels Federkraft an den Kühlkörper angepresst sein. Beispielsweise kann die Federkraft zum Anpressen an den Kühlkörper mittels einer Druckfeder, einer Schenkelfeder, einer Formfeder o. dgl. erzeugt werden. Die Feder kann ergänzend nicht nur die Anpresskraft erzeugen sondern zusätzlich zur Stromführung dienen, womit ansonsten benötigte weitere Leitungen eingespart werden.
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Zweckmäßigerweise kann Wärmeleitpaste zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil und dem Kühlkörper angebracht sein. Damit gelingt eine weitere Verringerung des Wärmeübergangswiderstands, womit wiederum die Wärmeableitung verbessert wird. Soweit noch weitere Leitungen und/oder Strompfade für die Stromführung zum wärmeerzeugenden Bauteil notwendig sind, können diese in kompakter Anordnung durch die Aussparung hindurchreichen. Vor allem bietet es sich an, die elektrische Anschlüsse, und zwar insbesondere die Batterieanschlüsse, durch die Aussparung hindurchreichend anzuordnen.
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Bei dem Trägersubstrat kann es sich in kostengünstiger Weise um eine Leiterplatte handeln. Dabei kann die Leiterplatte als Einfach-, Zweifach- oder auch Mehrfach-Lager ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise ist die Leiterplatte aus einem FR2-Material, aus einem FR4-Material, aus einem Keramik-Material o. dgl. hergestellt. In einer kompakten Ausgestaltung kann der Kühlkörper in etwa U-förmig ausgebildet sein. Der Kühlkörper kann in einfacher Art und Weise auf das Gehäuse aufgeschoben sein.
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Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung ist Nachfolgendes festzustellen. Geschaffen ist ein Akkuschalter mit einer Anordnung, bei der die Leistungshalbleiter, wie ein MOSFET und/oder eine Freilaufdiode, durch ein Fenster in der Leiterplatte zum Kühlkörper geführt sind. Es wird eine einfache FR4-Leiterplatte verwendet, die Durchbrüche hat, durch die wiederum die Leistungshalbleiter direkt den Kühlkörper kontaktieren. Insbesondere sind Durchbrüche je nach Geometrie der Leistungshalbleiter in der zwei- oder mehrlagigen Leiterplatte angebracht, durch die der MOSFET und die beispielsweise pillenförmige Freilaufdiode hindurchreichen. Direkt oberhalb der Leiterplatte befindet sich der Kühlkörper. Die Leistungshalbleiter werden mittels Federkraft kontinuierlich auf den Kühlkörper gepresst, damit eine gute thermische und/oder elektrische Verbindung entsteht. Dies wird durch unterlegte Federn, beispielsweise Druckfedern oder Formfedern, erreicht. Zusätzlich wird durch eine leitende Wärmeleitpaste ein guter Wärmeübergang zwischen den Leistungshalbleitern und dem Kühlkörper erreicht. Die Leistungshalbleiter können beweglich befestigt sein, um einen Toleranzausgleich und/oder eine thermische Bewegung zu ermöglichen. Beim MOSFET wird dieser Ausgleich durch die Beinchen erreicht, während dies bei der Freilaufdiode durch die stromleitende Formfeder erreicht wird. Der Kühlkörper kann in U-Form auf den Schalter aufgeschoben werden, kann aber jedoch auch andere Geometrien haben. Die U-Form hat den Vorteil, dass das ganze System zusammengehalten wird, und eine sehr gute Vibrationsfestigkeit erreicht wird.
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In Weiterbildungen dieser bevorzugten Ausgestaltung kann die Freilaufdiode auch in D2-Pack oder TO220 ausgeführt sein. Die Federn zum Anpressen an den Kühlkörper können Druckfedern, Schenkelfedern oder Formfedern sein. Die Federn können einerseits nur die Anpresskraft erzeugen, andererseits aber auch zur Stromführung dienen. Die Stromführung kann auch durch separate Leitungen oder Strompfade geschehen. Die Leiterplatte kann ein 1-, 2- oder mehrfach Layer sein. Diese Technik kann auch für Netzschalter, die mit einem Triac oder einem Thyristor arbeiten, also für mit Wechselstrom betriebene Elektrowerkzeuge, eingesetzt werden. Ebenso kann bei Akkuschaltern anstelle der Freilaufdiode ein zweiter MOSFET eingesetzt werden. Dies kann auch ein MOSFET sein, der zum Bremsen verwendet wird. Anstelle von FR4 können auch andere Materialen, wie FR2, Keramik o. dgl., verwendet werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Kosteneinsparung durch Verwendung von Standardmaterialien, wie FR2 oder FR4, erzielbar ist. Dadurch sind auch keine aufwendigen Fertigungstechnologien notwendig. Durch den einfachen Aufbau ist somit der erfindungsgemäße Schalter gut geeignet für ”die Fertigung in Niedriglohnländern”, wie beispielsweise in China. Desweiteren ist vorteilhafterweise lediglich eine niedrige Investition für die Herstellung solcher Schalter notwendig. Insbesondere ist die Verwendung bereits vorhandener Anlagen und Betriebsmittel möglich. Schließlich ist die Elektronik des Schalters in kostengünstiger Weise erweiterbar, indem lediglich eine Vergrößerung der Leiterplatten-Fläche vorzunehmen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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1 schematisch ein Elektrowerkzeug, wobei das Elektrowerkzeug-Gehäuse des Elektrowerkzeugs teilweise aufgebrochen sowie Teile des im Elektrowerkzeug-Gehäuse befindlichen Schalters teilweise durchsichtig dargestellt sind,
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2a den elektrischen Schalter aus 1 in perspektivischer Ansicht, wobei der Kühlkörper teilweise transparent dargestellt ist,
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2b den elektrischen Schalter wie 2a, jedoch in einer anderen Perspektive,
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3 einen Detail-Ausschnitt des elektrischen Schalters aus 2a/2b und
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4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in 2b.
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In 1 ist ein Elektrowerkzeug 1 mit einem Elektromotor 2 zum Antrieb eines Werkzeugs 3 zu sehen. Es kann sich dabei um ein Akku- und/oder Netz-Elektrowerkzeug handeln. Beispielhaft ist in 1 eine Akku-Bohrmaschine als Elektrowerkzeug 1 gezeigt, die mit einer Versorgungsspannung aus einem mobilen Energiespeicher 8 in der Art eines Akkus betrieben wird. Selbstverständlich kann es sich bei dem Elektrowerkzeug 1 auch um einen Schleifer, eine Säge, einen Hobel, einen Winkelschleifer o. dgl. handeln.
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Im Elektrowerkzeug-Gehäuse 4 des Elektrowerkzeugs 1 ist ein elektrischer Schalter 5 mit einem Gehäuse 13 angeordnet. Der Schalter 5 ist derart im Elektrowerkzeug-Gehäuse 4 aufgenommen, dass ein manuell vom Benutzer bewegbares Betätigungsorgan 6 des Schalters 5 aus dem Elektrowerkzeug-Gehäuse 4 herausragt. Der Schalter 5 besitzt ein Kontaktsystem 7, auf das das Betätigungsorgan 6 zur Umschaltung einwirkt, so dass die Spannungsversorgung aus dem Energiespeicher 8 für das Elektrowerkzeug 1, und zwar insbesondere zum Betrieb des Elektromotors 2, mittels des Betätigungsorgans 6 vom Benutzer ein- und/oder ausschaltbar ist. Schließlich umfasst der Schalter 5 eine im Gehäuse 13 befindliche elektrische Schaltungsanordnung 9 zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors 2. Die Schaltungsanordnung 9 dient als Steuerelektronik zur Drehzahlveränderung des Elektromotors 2 entsprechend der Stellung des vom Benutzer bewegten Betätigungsorgans 6, womit der Schalter 5 eine Art von Steuergerät für das Elektrowerkzeug 1 darstellt.
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Im Gehäuse 13 befindet sich ein Trägersubstrat 10 zur Aufnahme von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen der Steuerelektronik 9. Die mittels einer Pulsweiten-Modulation arbeitende Steuerelektronik 9 weist einen in 3 sichtbaren Leistungstransistor 11 auf, der zur Steuerung des der eingestellten Drehzahl entsprechenden Stroms für den Elektromotor 2 dient. Bei dem Leistungstransistor 11 handelt es sich vorliegend um einen MOS-FET, da es sich bei dem Elektrowerkzeug 1 um ein Akku-Elektrowerkzeug handelt. Für ein mit einer Phasenanschnitt- oder einer Phasenabschnitt-Steuerung versehenen Netz-Elektrowerkzeug kann ein Triac als Leistungstransistor Verwendung finden. Schließlich umfasst die Steuerelektronik 9 noch eine in 3 sichtbare Freilaufdiode 12.
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Am MOS-FET 11 sowie an der Freilaufdiode 12 entsteht eine Verlustwärme, womit es sich hierbei um wärmeerzeugende Bauteile handelt. Selbstverständlich kann die Schaltungsanordnung 9 noch weitere wärmeerzeugende Bauteile aufweisen. Zur Abführung dieser Wärme von der Schaltungsanordnung 9 aus dem Gehäuse 13 befindet sich im und/oder am Gehäuse 13 ein Kühlkörper 14. Wie weiter in 2a oder 2b zu sehen ist, weist das Trägersubstrat 10 wenigstens eine Aussparung 15 in der Art eines Durchbruchs auf. Der MOS-FET 11 als wärmeerzeugendes Bauteil ist in der Aussparung 15 angeordnet, derart dass eine direkte wärmeleitende Verbindung vom wärmeerzeugenden Bauteil 11 zum Kühlkörper 14 ermöglicht ist. Das Trägersubstrat 10 kann mehrere Aussparungen 15, 15' für mehrere wärmeerzeugende Bauteile 11, 12 besitzen. So ist vorliegend auch die Freilaufdiode 12 in der weiteren Aussparung 15' angeordnet, um eine verbesserte Wärmeabfuhr zum Kühlkörper 14 zu erreichen. Es kann auch eine weitere Aussparung im Trägersubstrat 10 für einen zweiten MOS-FET, der beispielsweise zum Bremsen des Elektromotors 2 verwendet wird, vorhanden sein, was jedoch nicht weiter gezeigt ist.
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Der MOS-FET 11 ist mit seinen in 3 sichtbaren Anschlussbeinen 16 am Trägersubstrat 10 durch Verlöten befestigt. Der MOS-FET 11 an sich ragt jedoch durch die Aussparung 15 hindurch. Das Trägersubstrat 10 ist in unmittelbarer Nähe zum Kühlkörper 14 angeordnet, und zwar an einer offenen Seite des Gehäuses 13. Dadurch ist das wärmeerzeugende Bauteil 11 sowohl am Trägersubstrat 10 befestigt als auch in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kühlkörper 14 stehend, wie anhand von 4 zu erkennen ist. Zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstands kann eine Wärmeleitpaste zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil 11 und dem Kühlkörper 14 angebracht sein. Die Befestigung des MOS-FET 11 am Trägersubstrat 10 erfolgt im übrigen in beweglicher Art mittels der Anschlussbeine 16, um einen Toleranzausgleich für den MOS-FET 11 zu ermöglichen.
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Um einen guten Wärmeübergang zu bewerkstelligen, ist das wärmeerzeugende Bauteil 11, 12 mittels Federkraft an den Kühlkörper 14 angepresst. Wie man der 3 entnimmt, wird die Federkraft zum Anpressen des MOS-FET 11 an den Kühlkörper 14 mittels einer Druckfeder 17 erzeugt. Es kann jedoch auch eine Schenkelfeder, eine Formfeder o. dgl. verwendet werden. Die Freilaufdiode 12 ist nicht auf dem Trägersubstrat 10 befestigt, vielmehr dient eine Feder 18 zum Halten der Freilaufdiode 12 sowie zum gleichzeitigen Anpressen an den Kühlkörper 14. Die Feder 18 erzeugt jedoch nicht nur die Anpresskraft sondern dient auch zusätzlich zur Stromführung für die Freilaufdiode 12, also als ein elektrischer Anschluss für die Freilaufdiode 12. Damit reichen Leitungen und/oder Strompfade für die Stromführung zum wärmeerzeugenden Bauteil 12 an die Aussparung 15' heran oder auch durch die Aussparung 15' hindurch. Es können jedoch auch noch weitere elektrische Anschlüsse, und zwar beispielsweise gemäß 3 ein Batterieanschluss 19, durch die Aussparung 15 hindurchreichend im Gehäuse 13 angeordnet sein.
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Wie man anhand der 4 sieht, ist der Kühlkörper 14 in etwa U-förmig ausgebildet. Es bietet sich dann an, dass der Kühlkörper 14 zwecks einfacher Befestigung auf das Gehäuse 13 aufgeschoben ist. Bei dem Trägersubstrat 10 kann es sich um eine Leiterplatte handeln, wobei die Leiterplatte 10 aus einem FR2-Material, aus einem FR4-Material, aus einem Keramik-Material o. dgl. hergestellt ist. Entsprechend den Erfordernissen kann die Leiterplatte 10 als einfach-, zweifach- oder mehrfach-Lager ausgebildet sein.
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Die Erfindung ist anhand eines Elektrowerkzeugs erläutert, jedoch nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann ein derartiges Steuergerät auch in sonstigen Elektrogeräten, beispielsweise in Hausgeräten, in tragbaren Lampen o. dgl., Verwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrowerkzeug
- 2
- Elektromotor
- 3
- Werkzeug
- 4
- Elektrowerkzeug-Gehäuse
- 5
- (elektrischer) Schalter
- 6
- Betätigungsorgan
- 7
- Kontaktsystem
- 8
- Energiespeicher
- 9
- Schaltungsanordnung/Steuerelektronik
- 10
- Trägersubstrat/Leiterplatte
- 11
- Leistungstransistor/MOS-FET/wärmeerzeugendes Bauteil
- 12
- Freilaufdiode/wärmeerzeugendes Bauteil
- 13
- Gehäuse (von Schalter)
- 14
- Kühlkörper
- 15, 15'
- Aussparung
- 16
- Anschlussbein (von MOS-FET)
- 17
- Feder/Druckfeder (für MOS-FET)
- 18
- Feder (für Freilaufdiode)
- 19
- Batterieanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19508925 A1 [0003]
- DE 10212449 A1 [0004]