Sicherheitsteil bis 200.000 Volt in die Leiterplatte integriert

Die gedruckten Impulswiderstände von Würth Elektronik können kurzzeitig im Millisekundenbereich sehr hohe kW-Leistungen aufnehmen und dadurch teure Keramikwiderstände ersetzen. Gegenüber den herkömmlichen bestückten Widerständen liegen die primären Vorteile dieser gedruckten Impulswiderstände in der hohen Integrationsfähigkeit der Bauteile und in der damit verbundenen Volumenreduzierung, was sie robuster und günstiger macht.

Konventionell bestückte Bauteile sind zudem in vielen Fällen nur als bedrahtete Version zu erhalten, was eine aufwändige Bestückung erforderlich macht und unsichere Lötverbindungen nach sich zieht. Da die Impulswiderstände als bedrahtete Bauteile auch wesentlich größer sind als Standardwiderstände, benötigen sie viel Platz und vermehrten Fertigungsaufwand, verschlingen höhere Beschaffungs- und Lagerkosten und bergen Fehlerrisiken an den Lötstellen der bedrahteten Bauteile.

Die gedruckten Impulswiderstände von Würth Elektronik überwinden diese Handicaps. Sie lassen sich sogar auf den Innenlagen eines Multilayers platzieren und verbrauchen so keinen wertvollen Bestückungsplatz auf den Außenlagen. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Zuverlässigkeit bei thermischer Wechselbelastung, die in Temperaturwechseltests (-40 °C / +125 °C) bis 3.000 Zyklen nachgewiesen wurde. Konventionelle Lötstellen versagen unter diesen Bedingungen wesentlich früher. Da gedruckte Widerstände aber keine Lötstellen haben, gibt es an dieser Stelle auch keine Lötfehler.

Standardwiderstände für pull up/-down-Anwendungen können ohne Laserabgleich mit einer Toleranz von ± 30 % gefertigt werden. Für höherwertige Anwendungen kann die Toleranz mit Hilfe des Laser-Abgleichs der Widerstände auf ± 5 % über die Gesamtlebensdauer eingeschränkt werden; sogar unter extremen klimatischen Bedingungen (40°C / 92 % rel. Feuchte / 1000 h).

„Alle Impulswiderstände, die wir mit unserem geheimen Inhouse-Rechenmodell bis jetzt berechneten, funktionierten problemlos“, sagt Frank Dietrich, Leiter FLATcomp Systeme bei Würth Elektronik. Entsprechende erfolgreiche Lösungen können Kunden einfach durch Ausfüllen der Design-Rules auf www.we-online.de/FLATcomp bestimmen lassen.

Der Weg zu der komfortablen und erfolgversprechenden Lösung war logisch. Normale Leistungswiderstände werden heiß und benötigen große Kühlflächen. Bei 10 Watt Leistung ist hier ein Kühlkörper in der Größenordnung von 10 x 5 cm notwendig. Bei Leistungswiderständen, die beispielsweise 25 kW zwei Millisekunden lang aushalten müssen, würde ein Aluminium-Kühlkörper nun aber nichts nützen. Muss er auch nicht, weil diese hohe Leistung in der kurzen Zeit nicht viel Energie bedeutet. Das macht die Sache einfach.

Eine besondere Herausforderung ist es, die Theorie in die passende Mathematik umzusetzen und zu verstehen, was in der Praxis eine Leistung von 25 kW für zwei Millisekunden für die Dickschicht tatsächlich bedeutet.

Hierfür hat Würth Elektronik ein Rechenmodell entwickelt und währenddessen erkannt, dass sich sein impulsfestes Leitpolymer hervorragend für diese speziellen Anforderungen eignet. Das multifunktionale Dickschichtsystem absorbiert die elektrische Energie und wandelt sie in Wärme um. „Vereinfacht dargestellt rechnen wir aus, dass die Menge, die wir da zu erwärmen haben, so groß ist, dass sie 170 Grad nicht überschreitet“, erläutert Frank Dietrich. In der praktischen Umsetzung liefert der Kunde an Würth Elektronik die Daten, dieser gibt sie in sein Rechenmodell ein und ermittelt Länge, Breite und Dicke des Impulswiderstandes. Die Impulswiderstände von Würth Elektronik verhindern dies, indem sie die Energien absorbieren, und ersetzen dadurch im Endeffekt Varistoren und andere teure Halbleiterelemente.

Die auf Basis der Würthschen Polymerdickschicht realisierten gedruckten Impulswiderstände bewährten sich bereits in allen drei Spannungsbereichen bei Kundenanwendungen – also in der Niederspannung, der normalen Spannung und der Hochspannung.

Im Niederspannungs-Fall wurde ein Impulswiderstand in einem Motorkommutator integriert, dessen Aufgabe die Funkenlöschung ist. Und zwar in einer Größenordnung von 120 Volt; während die normalen Spannungen in dem System nur 5 Volt sind. Einen herkömmlichen Impulswiderstand, der auf Keramik aufgebracht ist, hätte der Kunde in dieser Einheit nicht verwenden können und insgesamt wesentlich teurer mit mehr Platzaufwand realisieren müssen. Die Lösung von Würth Elektronik hat die ersten Tests beim Kunden bereits bestanden; ca. 800.000 integrierte Impulswiderstände sind bereits im Feldeinsatz.

Im Falle des Beispiels Peaks aus dem Netz, also Störimpulse aus dem Netz, ist der Impulswiderstand etwas kräftiger. Der Impulswiderstand mit 25 kW liefert dem Kunden eine sehr kostengünstige und zuverlässige Lösung, wo normalerweise Varistoren zum Einsatz kommen, und liegt im Bereich von einigen Tausend Volt. Vergleichsweise erfordern 25 kW Tisch-große Kühlkörper; hier betragen die Ausmaße gerade einmal 10 x 12 mm. Erste Anwendungen sind Polymerhybrids für Komponenten im Projekt „Intelligenter Strom“.

Im Hochspannungsbereich haben aktuell die Kundenmuster den TÜV-Test für gedruckte Hochspannungs-Widerstände mit derzeit bis zu 200.000 Volt bestanden. „Auch hier erfolgt die Realisierung in Polymerdickschicht auf der Leiterplatte, was bis vor kurzem für den Gigaohm-Bereich noch für unmöglich gehalten wurde. Denn hohe Spannungen führen zu derart hohen Feldstärken, gekoppelt mit elektrostatischen Kräften, dass sie einen normalen Karbonwiderstand bereits beim ersten Versuch explosionsartig zerstäuben lassen. Doch unsere Polymerdickschicht hält diesen hohen Feldstärken Stand“, freut sich Frank Dietrich, Entwickler der “smart conductive“-Polymer-Paste, „unterstützt von einer ´runden´ Geometrie, die vor allem ab 100.000 Volt scharfe Ecken vermeidet, an denen die Funken sprühen würden.“

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