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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Überstromschutzanordnung, ein
Verfahren zum Schützen eines
elektrischen Elements vor einem Überstrom und
ein Fortbewegungsmittel.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
Vorschrift bei elektronischen Flugzeugkomponenten besteht darin,
die jeweiligen Anschlüsse
vor Kurzschlüssen
zu schützen.
Diese Kurzschlussströme
können
mehrere 100 Ampere übersteigen
und somit die betroffenen elektrischen Vorrichtungen zerstören, da
diese dadurch dem Vielfachen ihrer üblichen Belastung ausgesetzt
sind. Diese hohen Überströme können entstehen,
weil in Flugzeugen häufig
der innere Widerstand der elektrischen Bauteile so klein wie möglich gehalten
wird, um einen möglichst
hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
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Obwohl
die hohen Kurzschlussströme
innerhalb weniger Millisekunden abgestellt werden, muss jede elektronische
Vorrichtung in dem Schaltkreis dahingehend überprüft werden, ob sie die anliegenden Kurzschlussströme bewältigen kann.
Ausschlaggebend ist dabei das schwächste interne elektrische Bauteil
der elektrischen Vorrichtung. Da die Belastungsgrenze dieses schwächsten Bauteils
oftmals nicht ausreicht, um den Kurzschlussstrom zu bewältigen,
kann somit die gesamte Vorrichtung beschädigt werden. Somit müssen zusätzliche
Vorkehrungen getroffen werden, die den Überstrom unter die Belastungsgrenze
des schwächsten
Bauteils senken. Diese Vorkehrungen sind umso billiger, je höher die
Belastungsgrenze bei Kurzschluss der schwächsten Geräte sind. Jedoch ist der Einsatz
von robusteren Geräten
mit einer höheren
Belastungsgrenze oftmals aufgrund der zu verwendenden Technologie
oder der Designvorgaben, wie beispielsweise Volumen- oder Gewichtrestriktionen,
begrenzt.
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Eine
bekannte Vorkehrung, um eine elektrische Vorrichtung zu schützen, ist
der Einsatz einer Einwegsicherung, die im Falle eines Kurzschlussstromes
den Stromkreis unterbricht, ohne dabei Rauch oder Feuer während eines
Kurzschlusses zu verursachen. Die Verwendung dieser Sicherungen
in Flugzeuganwendungen ist jedoch zu vermeiden, da sie zum Reparieren
oder Austauschen nur schlecht erreichbar sind.
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Ein
weiterer Ansatz besteht darin, den Überstrom in dem Stromkreis
zu reduzieren. Dies wird bei einer Schaltung mit Wechselstrom üblicherweise
mit einer Spule erreicht. Diese Spule erhöht den inneren Widerstand der
elektrischen Vorrichtung und begrenzt somit die Höhe des Kurzschlussstroms.
Da jedoch die Normalladung beispielsweise für Heizungsvorrichtungen in
Flugzeugen 1,5 kVA übersteigen kann,
muss die Spule dafür
ausgelegt sein, permanent einer Stromstärke von 12 Ampere standzuhalten.
Um darüber
hinaus den Verlust so klein wie möglich zu halten, werden große Drahtdurchmesser
benötigt,
wodurch jedoch ein hohes Gewicht verursacht wird, vor allem da die
Spulen vorwiegend aus Kupfer bestehen und einen Kern aus einem ferromagnetischen
Metall aufweisen können.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstigen und leichtgewichtigen Überstromschutz zu
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Überstromschutzanordnung,
durch ein Verfahren zum Schützen eines
elektrischen Elements vor einem Überstrom und
durch ein Fortbewegungsmittel mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist eine Überstromschutzanordnung
für ein
Flugzeug bereitgestellt, die ein gegen Überstrom zu schützendes
elektrisches Element und/oder eine Überstromschutzvorrichtung aufweisen
kann, wobei die Überstromschutzvorrichtung
eingerichtet ist, einen Strom durch das zu schützende elektrische Element
derart über
die Überstromschutzvorrichtung
umzuleiten, dass der Strom durch das zu schützende Element eine Strom-Höchstgrenze
nicht überschreitet.
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Gemäß einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Verfahren zum Schützen eines elektrischen Elements
in einem Flugzeug vor einem Überstrom
geschaffen, wobei gemäß dem Verfahren
ein Strom durch das zu schützende elektrische
Element derart über
die Überstromschutzvorrichtung
umgeleitet wird, dass der Strom durch das zu schützende Element eine Strom-Höchstgrenze
nicht überschreitet.
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Gemäß noch einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Fortbewegungsmittel, insbesondere ein Flugzeug,
bereitgestellt, das eine Überstromschutzanordnung
mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist.
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Erfindungsgemäß kann ein Überstrom
abgeleitet und somit an dem zu schützenden Bauteil verringert
werden, wodurch sich die Belastungsgrenze des zu schützenden
Bauteils erhöht
und somit beispielsweise die Größe und das
Gewicht der weiteren Schutzvorkehrungen verringert werden. Dadurch wird
insbesondere bei Implementierung der Überstromschutzanordnung in
einem Flugzeug ermöglicht,
darin enthaltene elektrische Bauelemente und Schaltungen sicher,
kostengünstig
und leichtgewichtig vor Beschädigung
durch einen möglicherweise auftretenden Überstrom
zu schützen.
Ein leichtes Gewicht eines Flugzeugs ist ein besonderes Anliegen,
ebenso wie die Gewährleistung
eines besonders hohen Sicherheitsstandards.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst eine Überstromschutzanordnung
das zu schützende
elektrische Bauteil und eine Sicherungsvorrichtung, die einen Überstrom
erkennt und daraufhin den Strom von dem elektrischen Bauteil ableitet,
womit der an dem elektrischen Bauteil anliegende Überstrom
reduziert wird. Die Sicherungsvorrichtung kann einen Kurzschlussstrom
anhand eines Spannungsabfalls erkennen, der durch einen Kurzschluss
entstehen kann. Die Sicherungsvorrichtung kann parallel zu dem elektrischen Bauteil
geschaltet werden.
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Die
Sicherungsvorrichtung kann eine symmetrische und/oder eine nicht-lineare
Strom-/Spannungskurve
aufweisen. Unter symmetrisch wird insbesondere eine Strom-/Spannungskurve verstanden, die
bei positiven Strömen
eine entsprechende Spannungsantwort hervorruft wie bei negativen
Strömen. Nichtlinear
ist eine Strom-/Spannungskurve
insbesondere dann, wenn keine direkte Proportionalität zwischen
Strom und Spannung besteht. Eine ausgeprägte Nichtlinearität stellt
sicher, dass der Überstromschutz
relativ abrupt erfolgen kann, und das elektrische Bauelement unterhalb
eines Schwellwerts im Wesentlichen nicht beeinflusst. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann hierfür eine Diodenschaltung, beispielsweise wie
in 3, vorgesehen werden.
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Eine
exemplarische Variante der Sicherungsvorrichtung besteht aus zwei
antiparallel geschalteten Dioden. Die Dioden können Silizium-, Germanium-,
Schottky-, Zener- oder Suppressordioden sein. Auch andere Halbleiterbauelemente
wie Transistoren, insbesondere als Dioden verschaltete Transistoren,
beispielsweise MOSFETs, können
zum Einsatz kommen.
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Um
den Überstrom
an dem elektrischen Element weiter zu verringern, besteht die Möglichkeit, mehrere Überstromschutzvorrichtungen
insbesondere parallel zu dem elektrischem Bauteil zu schalten. Bei
Ausfall einer Überstromschutzvorrichtung
können
die verbleibenden Überstromschutzvorrichtungen
den Überstromschutz
sicherstellen, so dass die Störanfälligkeit
herabgesetzt werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird eine Impedanz mit dem zu schützenden elektrischen Bauteil
in Serie geschaltet, um den Spannungsabfall in dem zu schützenden
Bauteil zu erhöhen
und somit das Auslösen
der Ableitung bzw. Übernahme
des Kurzschlussstroms zu verbessern. Die Impedanz kann dabei aus
mindestens einem ohmschen Widerstand und/oder mindestens einer Spule
bestehen.
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Die
Ausgestaltungen der Überstromschutzanordnung
gelten auch für
das Verfahren und für
das Fortbewegungsmittel, und umgekehrt.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Verbesserung der Kurzschlussfestigkeit einer elektrischen Vorrichtung
in Flugzeugen durch Ableiten des Kurzschlussstromes. Eine solche Überstromschutzanordnung umfasst
dabei zum Beispiel ein zu schützendes
elektrisches Bauteil und ein Sicherungselement, das einen Überstrom
erkennt und daraufhin den an dem elektrischen Bauteil anliegenden Überstrom
ableitet bzw. übernimmt
und dadurch verringert.
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Die
Erfindung schafft deswegen eine Anordnung zur Erhöhung der
Kurzschlussfestigkeit und verringert simultan das Gewicht und die
Größe der eingesetzten
Sicherungselemente. Da ein Flugzeug mehr als 100 Heizkreise umfassen
kann, die gegen Überströme oder Überspannungen
zu sichern sind, ist schon eine geringe Gewichtsersparnis von zum Beispiel
10 g pro Heizungsvorrichtung signifikant.
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Die
Erfindung kann zum Beispiel hartverdrahtet oder als monolithisch
integrierter Schaltkreis realisiert sein.
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Der Überstromschutz
gemäß der Erfindung kann
in einem beliebigen Fortbewegungsmittel eingesetzt werden, zum Beispiel
in einem Flugzeug, einem Hubschrauber, einem Auto (PKW, LKW), einem Bus,
einem Zug oder einem Schiff.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden sind zur weiteren Erläuterung und
zum besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer elektrischen Vorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Überstromschutzanordnung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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3 eine
schematisierte Ansicht antiparallel geschalteter Dioden als Überstromschutzvorrichtung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4 eine
schematische Darstellung einer Überstromschutzanordnung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
schematische Darstellung einer Überstromschutzanordnung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gleiche
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und
nicht maßstäblich.
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In 1 wird
ein elektrisches Bauteil dargestellt, dass im Folgenden das schwächste Glied
in einem Schaltkreis darstellt, d.h. diejenige Komponente eines
Schaltkreises darstellt, die gegen Überstrom geschützt werden
soll. Zum Beispiel sollen Hall-Sonden einer Kontrolleinheit für Heizungsvorrichtungen in
einem Passagierflugzeug effektiv vor einer Beschädigung vor Überstrom geschützt werden.
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2 zeigt
eine Überstromschutzanordnung gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel der
Erfindung, die in einem Passagierflugzeug implementiert ist.
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Vor
dem zu schützenden
elektrischen Bauteil 1 ist eine Impedanz 2 in
Reihe geschaltet, und parallel zu den Elementen 1 und 2 ist
eine Sicherungsvorrichtung 3 oder auch Überstromschutzeinrichtung geschaltet
wird. Ein durch einen Kurzschluss entstehender Spannungsabfall kann
nun dazu verwendet werden, dass die Sicherungsvorrichtung 3 den Überstrom
erkennt und den Strom durch den parallelen Zweig, in den sie geschaltet
ist, übernimmt
bzw. ableitet. Die Grenzspannung, bei der die Sicherungsvorrichtung 3 den
Strom durch den parallelen Zweig ableitet, muss so eingestellt werden,
dass der Überstrom
niemals die Höchstgrenze
des elektrischen Bauteils 1 übersteigt. Dazu kann der zum
elektrischen Element 1 in Reihe geschaltete Widerstand 2 oder
die Durchlassspannung bzw. die Kennlinie der Sicherungsvorrichtung 3 angepasst
werden.
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Zum
Beispiel kann die Sicherungsvorrichtung 3 eine solche Strom-Spannungs-Kennlinie
aufweisen, dass bei Auftreten eines ausreichend starken Stroms oder
einer ausreichend hohen Spannung die Sicherungsvorrichtung 3 deutlich
niederohmiger wird, so dass Strom entsprechend der U/I-Kennlinie zu
einem jeweiligen Anteil aus dem Zweig mit dem zu schützenden
elektrischen Bauteil 1 abgezweigt und durch den Pfad mit
der Sicherungsvorrichtung 3 geleitet oder abgeführt bzw. übernommen
wird.
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Die
Sicherungsvorrichtung 3 weist bevorzugt eine symmetrische
und nicht-lineare U/I-Charakteristik
auf. Diese nicht-lineare Charakteristik ermöglicht, dass während der
normalen Betriebsbedingungen kein bzw. kaum Strom durch die Überstromschutzvorrichtung 3 fließt und somit
die Funktion des elektronischen Bauteils 1, beispielsweise
wenn das elektronische Bauteil als Strommessgerät fungiert, kaum beeinträchtigt wird.
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3 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
einer solchen Überstromschutzvorrichtung 3,
in der zwei antiparallele Dioden 4 parallel geschaltet sind.
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Um
den Verlust durch die Impedanz 2 zu reduzieren, sollte
der Spannungsabfall, bei dem der parallele Zweig im Kurzschlussfall
durch die Sicherungsvorrichtung 3 aktiviert wird, möglichst
klein gewählt
werden. Dabei können
verschiedene Dioden 4 mit unterschiedlichen Kennlinien,
wie beispielsweise Silizium-, Germanium-, Schottky-, Zener-, oder
Suppressordioden, ausgewählt
werden, die sich je nach Anwendungsfall besonders gut eignen. Die
Stromstärke
wird entsprechend der spezifischen U/I-Kennlinien der Dioden 4 in
einem bestimmten Verhältnis von
den jeweiligen Zweigen übernommen.
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Der Überstrom
kann auch dadurch aufgeteilt und die Fehlerrobustheit verbessert
werden, indem mehrere Überstromschutzvorrichtungen 3', beispielsweise
aus antiparallel geschalteten Dioden 4, zu dem zu schützenden
elektrischen Bauteil 1 parallel geschaltet werden (siehe 5).
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Anhand
eines Beispiels soll im Folgenden bezugnehmend auf 4 die
Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung
verdeutlicht werden.
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In
Flugzeugen kann die erfindungsgemäße Schaltung u.a. in Kontrolleinheiten
von Heizelementen vorteilhaft verwendet werden. Die Heizelemente werden
mit Wechselspannung versorgt und durch Kontrolleinheiten geregelt
und überwacht.
Die Kontrolleinheiten erkennen ebenfalls, ob sich eine Störung, wie
beispielsweise ein Kurzschluss, in einem Schaltkreis befindet. Um
dies festzustellen, umfasst die Kontrolleinheit u.a. ein Strommessgerät, das wie beispielsweise
in 4 aus einen Messwertgeber (Hall-Sensor) besteht.
Dieser Messwertgeber stellt sich in der Praxis jedoch häufig als
das schwächste oder
fehleranfälligste
Glied gegenüber
einem Kurzschlussstrom heraus, so dass hier, wie eingangs erwähnt, konventionell
eine Spule eingesetzt wird, um den Widerstand des Messwertesgebers
zu erhöhen. Da
der Spannungsabfall an dem Strommessgerät jedoch äußerst gering ist, kann ein
Widerstand mit wenigen mΩ eingesetzt
werden, um die Grenzspannung der parallel geschalteten Dioden 4 zu
erreichen.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
(siehe 4) hat hierbei den Vorteil, die Belastungsgrenzen
gegenüber
einem Überstrom
für den Messwertgeber
und somit für
die gesamte Kontrolleinheit zu erhöhen
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Anhand
eines Zahlenbeispiels lässt
sich die Wirkungsweise der Erfindung verdeutlichen. Bei einer Grenzbelastung
des Strommessgerätes
wird eine Diode 4 mit einer ihrer U/I-Kennlinie entsprechenden
Durchlassspannung von 2 V bei 200 A gewählt, sodass bei vernachlässigbarem
inneren Widerstand des Strommessgerätes ein Widerstand mit 10 mΩ gewählt werden
kann, um den parallelen Zweig des Schaltungsanordnung derart zu
aktivieren, dass die kritische Stromstärke des zu schützenden
Elements 1 nicht erreicht wird. Dadurch wird folglich der
Strom auf die beiden Zweige verhältnismäßig entsprechend
der U/I-Kennlinie der Diode 4 aufgeteilt und im Umkehrschluss
die Grenzbelastung des Strommessgerätes um beispielsweise den Faktor 2 erhöht. Daher
besteht nun die Möglichkeit,
die Größe der Spule
zu verringern, sodass ungefähr
mit dem selben Faktor 2 das Gewicht und Volumen eingespart werden
kann. Ebenfalls von Vorteil ist der geringe Verlust der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
der bei einer Stromstärke
von 12 A lediglich 1,44 Watt beträgt und somit gleich oder geringer
als der Verlust der Strombegrenzungsspule.
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Ergänzend ist
darauf hinzuweisen, dass „aufweisend" und „umfassend" keine anderen Elemente
oder Schritte ausschließt
und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf
eines der obigen Ausführungsbeispiele
beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen
oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden
können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen
sind nicht als Einschränkung
anzusehen.