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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zum Unterbrechen eines Stromkreises von elektri- schen Geräten, Maschinen usw. mit einem beispielsweise unter Kurzschlussstrombelastung abschmel- zenden Schmelzelement.
Bei elektrischen Geräten, Anlagen, Maschinen usw. kann sich die Notwendigkeit ergeben, einen elektrischen Stromkreis, insbesondere Leistungskreis, zu unterbrechen, wenn beispielsweise ein Gerät einen Betriebszustand erreicht, der ein sofortiges Abschalten eines Stromkreises erfor- dert. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn sich eine unerwünscht hohe und unzulässig lange Strombelastung einstellt. Das Vorsehen einer elektrischen Sicherung stellt häufig keine
Problemlösung dar ; nämlich besonders dann, wenn die Strombelastung oder die Belastungsdauer unterhalb des Abschaltpunktes dieser Sicherung liegt, und falls der Betriebszustand, in dem ein Abschalten des Stromkreises geboten ist, von der jeweiligen Belastung des Stromkreises auch noch unabhängig ist, scheidet der Einsatz einer Sicherung als Lösung ohnehin aus.
Deshalb sind zum Abschalten elektrischer Stromkreise in Abhängigkeit vom Eintreten eines bestimmten Betriebszustandes häufig Zusatzschaltungen vorgesehen, die den Stromkreis mittels eines Relais od. dgl. abschalten. Doch diese Lösung ist für eine Vielzahl von Anwendungsfällen zu um- ständlich und zu teuer. Auch die notwendige Sicherheit ist nicht immer gewährleistet, vor allem deshalb, weil die vorgesehenen Unterbrecher den Abschaltvorgang auf mechanischem Wege durchführen. Unabhängig davon ist aus der AT-PS Nr. 182767 bekannt, einen Schmelzleiter mit einem Belag zu versehen, der eine Legierung mit dem Schmelzleiter eingeht und den Schmelzpunkt herabsetzt.
Es besteht daher die Aufgabe, eine einfache Schutzvorrichtung in Form einer Schaltung oder eines Bauelementes zu schaffen, mit der bzw. mit dem bei Eintreten eines bestimmten Betriebszustandes ein sicheres Unterbrechen eines Stromkreises gewährleistet ist. Die Schutzvorrichtung muss folglich einfach sowie kostengünstig herstellbar und einsetzbar sein, und es wird ein hoher Zuverlässigkeitsgrad verlangt.
Als erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass das Schmelzelement mit einem benachbart angeordneten elektrischen Widerstand thermisch gekoppelt und unter der Einwirkung eines von einem vorbestimmten Stromimpuls in dem Widerstand erzeugten Wärmeimpuls abschmelzbar ist.
Das Schmelzelement übernimmt ohne Beteiligung des mit diesem thermisch gekoppelten elektrischen Widerstandes die sicherungsspezifische Aufgabe der Abschaltung des Stromkreises im Kurzschlussfall und im Falle des Erreichens eines durch Auslegung des Schmelzelementes vorgegebenen Abschaltpunktes beim Auftreten einer Überstrombelastung bestimmter Dauer, und darüber hinaus lässt sich eine Auslösung des Schmelzelementes auch im Bereich geringer oder kurzzeitiger Überströme oder beim Eintreten anderer Umstände herbeiführen, die von der jeweiligen Strombelastung unabhängig sind.
Zum Abschmelzen des Schmelzelementes im letzteren Fall dient nicht etwa die im Schmelzelement durch Strombelastung innerhalb des Stromkreises entwickelte Wärme, in dem das Schmelzelement liegt, sondern. ein Wärmeimpuls, der durch einen Stromimpuls in dem mit dem Schmelzelement thermisch gekoppelten Widerstand erzeugt und zur Einwirkung auf das Schmelzelement gebracht wird. Hiefür ist die thermische Kopplung zwischen dem Schmelzelement und dem Widerstand so auszulegen, dass bereits ein kurzer Stromimpuls genügt, um einen zum Abschmelzen des Schmelzelementes ausreichenden Wärmeimpuls zu erzeugen und zum Schmelzelement zu transportieren.
Es ist zweckmässig, wenn das Schmelzelement und der Widerstand an voneinander getrennte Stromkreise anschliessbar sind. In Abhängigkeit von der konkreten Schutzaufgabe kann der thermisch zu übertragende Ausschaltbefehl aus einem andern Stromkreis herrühren, als der das Schmelzelement enthaltende Stromkreis. Der eine Stromkreis kann beispielsweise der Laststromkreis und der zweite der Steuerstromkreis für die Schutzvorrichtung sein. Bei einem andern Einsatz der Schutzvorrichtung sind das Schmelzelement und der Widerstand in Reihe geschaltet.
Dadurch wird eine typische Absicherung gegen eine längerfristige Überlastung erreicht, die zwar nicht genügt, um das Schmelzelement für sich gesehen rasch zum Abschmelzen zu bringen, die jedoch über die Wärmeentwicklung aus dem Widerstand nach einer ausreichenden Durchwärmung der Umgebung des Widerstandes die Auslösung herbeiführt, um beispielsweise ein Gerät thermisch zu schützen. Für den konkreten Aufbau der Schutzvorrichtung selbst ist es zweckmässig, wenn das Schmelzelement und
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der Widerstand an dem gleichen, aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere Keramik, be- stehenden Träger angeordnet sind.
Diese Anordnung verbessert die Reproduzierbarkeit der Wärme- kopplung, was insbesondere für einen keramischen Träger gilt, da dieser bezüglich Konsistenz und Schichtdicke besonders leicht reproduzierbar hergestellt werden kann. Damit können für die
Wärmekopplung enge Toleranzen angenommen werden, die für die sicheren Voraussagen des Auslöse- falles grosse Bedeutung haben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Schmelzelement und der Wider- stand im Siebdruckverfahren (Dickfilmtechnik) auf den Träger aufgebracht sind. Die Siebdruck- technik gestattet die Aufbringung sehr exakter Felder auf ein Substrat ohne seitliche Brücken und
Ausfransungen, die bei Ätztechniken befürchtet werden müssen. Auch die Schichtdicke ist sehr gut kontrollierbar.
Insgesamt sorgen die vorgenannten Merkmale daür, dass enge Toleranzen bei den elektrischen Werten eingehalten werden können, so dass die zu gewährleistenden Angaben für den
Auslösefall mit geringen Unsicherheiten bzw. Toleranzen behaftet sind. Die Exaktheit der Strom- pfade zueinander und der jeweils eingehaltene Querschnitt entscheidet über die vorgegebene Wärme- kopplung und gerade im Zusammenhang mit der Schutzvorrichtung eignet sich das Siebdruckverfah- ren hervorragend. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Schutzvorrichtung ist dadurch gekenn- zeichnet, dass das Schmelzelement auf dem aus Keramik bestehenden Träger aus einer Edelmetall- auflage, insbesondere aus Silber oder Platin, und einer Weichlotschicht besteht, und dass die Weich- lotschicht aus einem elektrisch mit niederohmigem Widerstand leitfähigen Zinnpulver in organischer
Bindung gebildet ist.
Die Ausbildung der Weichlotschicht als elektrisch leitendes Zinnpulver in organischer Bindung dient der Vorbeugung gegen Alterung der Schutzvorrichtung, da die organische
Bindung einen elektrischen Kontakt zu dem Edelmetall zunächst unterbindet. Anderseits ist die organische Bindung im Auslösefall sehr schnell angelöst und durchdrungen, so dass die gewünschte
Legierung zwischen dem Weichlot und dem Edelmetall besonders heftig einsetzt. Der Schutz vor Alte- rung darf also dem schnellen Ansprechen bei der Fremdauslösung des Schmelzelementes durch den
Widerstand nicht hinderlich sein. Das in organischer Bindung aufgebrachte Zinnpulver erfüllt diese
Forderung in besonders guter Weise. Weiters ist bei einer Weiterbildung der Schutzvorrichtung zwi- schen der Edelmetallauflage und der Weichlotschicht ein Film aus elektrisch nicht leitendem, schmelzbarem Material vorgesehen.
Die organische Bindung des Zinnpulvers kann bei der Herbeiführung der Leitfähigkeit durch kurzzeitiges Anschmelzen unkontrolliert beschädigt worden sein, so dass eine vorzeitige Alterung der Schutzvorrichtung nicht ganz auszuschliessen ist. In diesem Fall hilft der zusätzliche Film aus elektrisch nicht leitendem, schmelzbarem Material, das ein hohes Mass an Sicherheit gegen eine vorzeitige Alterung und damit gegen eine beginnende Legierung mit sich bringt. Der Schutz gegen Alterung ist wichtig, weil nur bei noch nicht eingetretener Alterung (begonnene Legierung des Edelmetalls mit dem Weichlot) die vorausberechnete Wärmekopplung eintritt, die sich andernfalls ändert, wodurch die Schutzvorrichtung die zugesagten Eigenschaften nach längeren Zeiträumen nicht mehr erfüllt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen eine Schutzvorrichtung in Fig. 1 in Draufsicht und in Fig. 2 im Schnitt in schematischer Weise dargestellt ist.
Die Schutzvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Schmelzelement --SE-- und einem elektrischen Widerstand --W--, die an gegenüberliegenden Seiten eines Trägers-l-aus Keramikmaterial (AlzO3) angeordnet sind.
Das Schmelzelement-SE--und der Widerstand --W-- werden schichtweise im Siebdruckverfahren nacheinander auf dem Träger-l-aufgebracht :
Zunächst wird eine sehr dünne Silberschicht, deren Dicke etwa 1 11 beträgt, als Edelmetallauflage --2-- auf einem begrenzten kleinen Abschnitt einer der grossflächigen Seiten des Trä- gers --1-- aufgedruckt. Hieran beiderseits angrenzend folgen zwei wesentlich dickere, mäanderförmige Leiterbahnen --3-- (zirka 12 li). Anschliessend wird eine Weichlotschicht bestehend aus Zinnpulver in organischer Bindung, aufgebracht, wie in den Zeichnungen dargestellt. Abschliessend werden Anschlusskontakte --4-- befestigt.
Die Edelmetallauflage --2-- dient erstens als Zwischenschicht zum Befestigen der Weichlot- schicht-5-an dem Keramikmaterial des Trägers-l-und zweitens zur Legierungsbildung mit der Weichlotschicht --5--.
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Nach dem Antrocknen der Weichlotschicht-5-hat diese Schicht zunächst keinen elektri- schen Kontakt mit der darunterliegenden dünnen Edelmetallauflage --2--, und sie ist selbst auch nicht elektrisch leitend. Erst durch kurzzeitiges Anschmelzen mittels eines dosierten Wärmeimpul- ses erhält die Weichlotschicht-5-elektrische Leitfähigkeit, u. zw. mit riiederohmigem Widerstand.
Der Wärmeimpuls zum Anschmelzen darf nur sehr kurzzeitig wirken, und auch seine Wärmemenge darf eine bestimmte Grenze nicht überschreiten, da andernfalls durch das Anschmelzen bereits die darunterliegende Edelmetallauflage-2-ablegiert wird. Um auch bereits ein unerwünschtes vor- zeitiges teilweises Legieren der Edelmetallauflage --2-- beim Anschmelzen der Weichlotschicht-5- zu vermeiden, kann mittels eines Films, der unter Abschaltbedingungen selbst schmelzbar ist, aber im übrigen aus elektrisch nichtleitendem Material besteht, eine Trennung zwischen der Edelmetall- auflage --2-- und der Weichlotschicht-5-herbeigeführt werden.
Auf der andern Seite des Trägers-l-werden zur Ausbildung des Widerstands --W-- mäan- derförmige Leiterbahnen --6-- eine zwischen den beiden Leiterbahnen --6-- angeordnete Engstel- le --8--, wie aus den Zeichnungen ersichtlich, aufgedruckt. An den freien Enden der Leiterbah- nen --6-- sind Anschlusskontakte --7-- befestigt.
Die Leiterbahnen --6-- und insbesondere deren Engstelle --8-- erfahren eine derartige Dimen- sionierung und gegenseitige Lage, dass durch Belastung der Engstelle --8-- mittels eines kurzen
Stromimpulses von zirka 50 mA für eine Zeitdauer von zirka 1 s die Engstelle --8-- so weit aufge- heizt wird, dass infolge einer entsprechenden Auswahl und Bemessung des Trägers-l-die von der Engstelle --8-- auf die Weichlotschicht-5-übergehende und auf diese einwirkende Wärme- menge die Weichlotschicht-5-zum Schmelzen bringt, so dass die Edelmetallauflage --2-- able- giert wird und sich die entstehende Gesamtlegierung infolge ihrer hohen Oberflächenspannung auf die bei den Leiterbahnen --3-- zurückzieht,
wobei sich die Weichlotschicht-5-etwa in der Mit- te teilt und eine etwaige Stromleitung unterbrochen wird.
Das Schmelzelement --SE-- kann beispielsweise in einen Leistungskreis geschaltet sein, um dort den Stromkreis gegen Überlastung durch einen Kurzschlussstrom oder durch Überströme anderer
Art zu schützen. Darüber hinaus besteht die Wärmekopplung zum Widerstand --W--, um den Stromkreis auch unter andern Umständen durch Erzeugung eines kurzen Stromimpulses mit der Folge des Übergangs eines entsprechenden Wärmeimpulses vom Widerstand --W-- zum Schmelzelement --SE-- galvanisch getrennt und über die Anschlusskontakte --7-- in einen andern Stromkreis ge- schaltet, in dem der vorgenannte Stromimpuls erzeugt wird.
Gewöhnlich erhält die Schutzvorrichtung am Ende des Herstellungsverfahrens eine nicht dargestellte Isolierumhüllung, vorzugsweise im Tauchverfahren.
Die in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendete Gesamtanordnung eignet sich vor allem für eine träge Abschmelzcharakteristik des Schmelzelementes --SE--.
Die gewählte Mäanderform der Leiterbahnen --3, 6-- gestattet die Unterbringung aller Teile auf kleinstem Raum.
Die randseitige Plazierung des Schmelzelementes --SE-- und des Widerstands --W-- wirkt sich vorteilhaft auf die Wärmeabfuhr aus. Die Beschränkung der Beheizung auf die winzige Engstelle --8-- verhindert eine allgemeine Aufheizung der Schutzvorrichtung und gewährleistet in Verbindung mit einer sehr engen Wärmekopplung mit dem Schmelzelement --SE-- im Bedarfsfall eine zuverlässige und von Fremdeinflüssen weitgehend unbeeinflusste Auslösung der Schutzvorrichtung.
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