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Die Erfindung betrifft eine Auslösevorrichtung für eine Thermosicherung, insbesondere für die Anwendung bei Hochstromgeräten.
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Um elektrische Module gegen Überhitzung zu schützen, werden irreversible Thermosicherungen benötigt, die bei einer zu hohen Umgebungstemperatur einen stromführenden Leiter unterbrechen (Auslösen). Die Thermosicherungen sind dabei so ausgelegt, dass die Auslösetemperatur nicht aufgrund eines möglicherweise auftretenden Stromflusses erreicht wird, so dass gewährleistet ist, dass diese nicht aufgrund eines hohen Stromes, sondern ausschließlich aufgrund einer zu hohen Umgebungstemperatur ausgelöst werden können. Eine Thermosicherung dient also dazu, einen unabhängigen Abschaltpfad für elektrische Module zur Verfügung zu stellen, die bei einer unzulässig hohen Temperatur in dem Modul, z.B. aufgrund von Ausfällen von Bauelementen, Kurzschlüssen, z.B. durch Fremdeinwirkung, Fehlfunktionen von Isolationswerkstoffen und dgl. den Stromfluss sicher unterbricht.
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Herkömmliche Thermosicherungen basieren zumeist auf dem Konzept einer fixierten Feder (z.B. angelötete Blattfeder), bei der sich bei einer Temperatureinwirkung die Fixierung löst (z.B. durch Schmelzen), wodurch die Thermosicherung durch die Federkraft geöffnet wird.
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Die
US 5,999,391 A zeigt eine Thermosicherung bei der eine Feder durchgehend auf einen Stromleiter der Thermosicherung wirkt. Bei einer Temperatureinwirkung löst sich die Fixierung des Stromleiters, wodurch die Thermosicherung durch die Federkraft geöffnet wird.
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Dabei wird jedoch auch im Normalbetrieb, d.h. im geschlossenen Zustand der Thermosicherung eine mechanische Kraft auf die Verbindungsstelle ausgeübt, was zu Qualitätsproblemen, speziell bei langen Betriebszeiten im Automotive-Bereich führen kann, z.B. zu einer Zerrüttung der Lötstelle.
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Die
DE 2 220 264 A1 offenbart einen Überhitzungsschutz mit einem Schaltkörper, der mittels einer Feder vorgespannt ist, wobei der Schaltkörper durch ein temperaturabhängiges Halteelement gehalten wird.
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Die
DE 10 2005 045 778 A1 offenbart eine Temperatursicherung mit einem elektrisch angesteuerten Kolben, der eine elektrischen Verbindung abhängig von einer elektrisch gemessenen Temperatur unterbricht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Thermosicherung zur Verfügung zu stellen, bei der sichergestellt ist, dass das Auslösen ausschließlich aufgrund der Umgebungstemperatur und nicht aufgrund eines zu hohen Stromflusses durch die Sicherung erfolgt und wobei weiterhin gewährleistet ist, dass ein über eine Lotverbindung angeschlossenes leitendes Element der Thermosicherung nicht permanent mechanischem Stress ausgesetzt ist, der auf die Lotverbindung wirkt, um eine längere Lebensdauer zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch die Auslösevorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch die Thermosicherung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist eine Auslösevorrichtung für eine Thermosicherung vorgesehen. Die Auslösevorrichtung umfasst einen Aktuator, der ausgebildet ist, um bei einer Grenztemperatur auszulösen, und ein leitendes Brückenelement, das mit mehrere Anschlussbereichen über entsprechende schmelzbare Verbindungselemente an entsprechenden Anschlussstellen befestigt und angeschlossen ist, um einen Strom zu führen. Die Verbindungselemente sind ausgebildet, um bei Erreichen oder Überschreiten einer Grenztemperatur aufzuschmelzen, so dass das Brückenelement bei Auslösen des Aktuators von den Verbindungselementen gelöst wird, um das Führen des Stromes zu unterbrechen.
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Die erfindungsgemäße Auslösevorrichtung ermöglicht ein zuverlässiges Auslösen bei einer Überschreitung einer Grenztemperatur in der Umgebung der Auslösevorrichtung. Die Unterbrechung eines Leiters beim Auslösen erfolgt, indem der Leiter an einer oder mehreren Stellen durch Abheben eines Brückenelementes aufgetrennt wird, wobei das Auslösen in besonders zuverlässiger Weise sichergestellt werden kann.
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Weiterhin weist der Aktuator einen beweglichen Stempel auf, um beim Auslösen den Anschlussbereich des Brückenelementes von den Anschlussstellen abzuheben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Aktuator einen Schmelzkörper aufweisen, der den Stempel in einer nicht ausgelösten Stellung hält, wobei das Material des Schmelzkörpers so gewählt ist, dass es bei Erreichen der Grenztemperatur schmilzt und dadurch den Aktuator auslöst, wobei der Stempel durch eine Kraft, insbesondere durch eine Federkraft, bewegt wird, um das Brückenelement mit Hilfe des Stempels von den Anschlussstellen vollständig abzuheben.
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Weiterhin kann der Aktuator zwei voneinander isolierte Schmelzkörper aufweisen, die als Ringsegmente um den Stempel angeordnet sind. Alternativ kann der Aktuator einen ringförmigen Schmelzkörper aus einem elektrisch isolierenden Material aufweisen, der als Ring um den Stempel angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist das leitende Brückenelement an mehreren Anschlussbereichen über entsprechende schmelzbare Verbindungselemente an entsprechenden Anschlussstellen befestigt und angeschlossen, wobei das Brückenelement bei Auslösen des Aktuators die Anschlussbereiche von den Anschlussstellen vollständig gelöst wird, um das Führen des Stromes zu unterbrechen.
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Erfindungsgemäß greift der Stempel durch eine Halteöffnung im Brückenelement, um das Brückenelement beim Abheben von den Anschlussstellen zu fixieren.
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Weiterhin kann der Aktuator ausgebildet sein, um sich beim Auslösen gegen eine Anschlagsplatte zu bewegen, so dass im ausgelösten Zustand das Brückenelement zwischen Stempel und Anschlagsplatte gehalten ist.
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Weiterhin kann das leitende Brückenelement schwenkbar an einer der Anschlussstellen angeordnet sein, wobei der Aktuator so an dem Brückenelement angeordnet ist, dass einer der Anschlussbereiche des Brückenelementes bei Auslösen des Aktuators von der Anschlussstelle um einen Weg abgehoben wird, der aufgrund einer Hebelwirkung größer ist als der Hub des Stempels des Aktuators beim Auslösen. Dies ermöglicht es, den Weg, um den der Anschlussbereich von der Anschlussstelle abgehoben wird, zu vergrößern. Dies hat den Vorteil, dass die Verbindung zuverlässig getrennt werden kann, da ein Lot ohne Flussmittel u.U. Fäden zieht, die bei einem vergrößerten hub abreißen.
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Weiterhin kann einer der Anschlussbereiche des Brückenelementes von dem Brückenelement abgebogen ist und durch eine Öffnung in einem Kontaktsteg geführt ist.
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Die Kontaktelemente sind vorzugsweise aus einem leitenden Material, insbesondere aus einem schmelzbaren Metall oder Metalllegierung gebildet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Thermosicherung vorgesehen, die eine obige Auslösevorrichtung aufweist, wobei das Brückenelement an einer Kontaktierungsvorrichtung, insbesondere an einem Stanzgitter oder an einer Leiterplatte, angeschlossen ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht einer Auslöseeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Draufsicht auf die Auslösevorrichtung der 1;
- 3 eine perspektivische Ansicht des Aktuators, der bei der Ausführungsform der 1 verwendet wird;
- 4 eine Querschnittsansicht einer Auslöseeinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einem nicht ausgelösten Zustand; und
- 5 eine Querschnittsansicht einer Auslöseeinheit gemäß der Ausführungsform der 4 in einem ausgelösten Zustand.
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In 1 ist die erfindungsgemäße Auslösevorrichtung dargestellt. Die Auslösevorrichtung 1 ist an einem Stanzgitter 2 aus einem leitenden Material angebracht, das von einer Ummantelung 3 aus einem nicht-leitenden Kunststoffmaterial umgeben ist. Anstelle des Stanzgitters 2 kann auch eine Leiterplatte oder eine sonstige Kontaktierungsvorrichtung vorgesehen sein.
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Im Bereich der Auslösevorrichtung 1 ist die Ummantelung 3 des Stanzgitters 2 entfernt, so dass das Stanzgitter 2 freiliegt. Im Bereich der Auslösevorrichtung weist der freiliegende Teil des Stanzgitters 2 zwei Kontaktstege 4 auf, die in die Ausnehmung 5 hineinragen. Mithilfe eines Brückenelementes 6, das mit beiden Kontaktstegen 4 leitend verbunden ist, wird eine Stromverbindung hergestellt, über die ein elektrisches Modul, das mit dem Stanzgitter 2 verbunden ist, betrieben wird.
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Das Brückenelement 6 weist an zwei gegenüberliegenden Enden abgebogene Anschlussabschnitte 8 auf, die durch jeweilige Öffnungen 9 in den Kontaktstegen 4 des Stanzgitters 2 hindurchreichen und an diesen Stellen durch eine Lotverbindung 10 mit dem Stanzgitter 2 verbunden ist. Die Lotverbindung 10 stellt einen leitenden Kontakt zwischen dem Brückenelement 6 und den jeweiligen Kontaktstegen 4 des Stanzgitters 2 dar. Anstelle der Lotverbindung 10 kann auch eine andere leitende Verbindung z.B. aus einem Metall oder einer Metalllegierung vorgesehen sein, dessen Schmelztemperatur gleich oder kleiner der Temperatur des Auslösens ist.
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Alternative Kontaktierungen zwischen den Kontaktstegen 4 und dem Brückenelement 6 sind möglich, sofern sie ein einfaches Lösen des Brückenelementes 6 von den Kontaktstegen 4 nach einem Aufschmelzen der Lotverbindung 10 ermöglichen. So können einer oder beide Anschlussabschnitte auch auf entsprechende Anschlussstellen auf den Kontaktstegen 4 aufgesetzt sein, ohne dass in diesen Öffnungen vorgesehen werden.
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Zwischen Enden der Kontaktstege 4 besteht eine Lücke 12 im Stanzgitter 2, durch die ein Stempel 19 eines Aktuators 11 reicht und in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptfläche des Stanzgitters 2 beweglich ist. Der Aktuator 11 ist im Allgemeinen so ausgebildet, dass er auslöst, wenn die Umgebungstemperatur der Auslösevorrichtung 1 eine bestimmte Schwelltemperatur übersteigt, wobei der Stempel 19 senkrecht zur Hauptfläche des Stanzgitters 2 bewegt wird.
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Der Stempel 19 weist ein konisch geformtes Eingreifelement 13 auf, das durch eine Halteöffnung 14 des Brückenelementes 6 ragt und dort anliegt. Bei einer Auslösung des Aktuators 11 bewegt sich der Stempel 19 senkrecht zu einem Hauptabschnitt des Brückenelementes 6, wobei das Eingreifelement 13 das Brückenelement 6 von dem Stanzgitter 2 abhebt, sodass die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstegen 4 unterbrochen wird. Um das Abheben des Brückenelementes 6 von den Kontaktstegen 4 des Stanzgitters 2 zu erleichtern, ist das Lotmaterial der Lotverbindungen 10 so gewählt, dass es bei der Grenztemperatur, bei der ein Auslösen der Auslösevorrichtung 1 erfolgen soll, schmilzt bzw. bereits aufgeschmolzen ist, wonach sich das Brückenelement 6 in einfacher Weise durch den Stempel 19 von dem Stanzgitter 2 abheben lässt. Alternativ oder zusätzlich können Soll-Trennstellen (nicht gezeigt) in dem Brückenelement 6 vorgesehen sein, an denen das Brückenelement 6 durch die Kraft des Stempels 19 aufgetrennt wird, wenn der Aktuator 11 auslöst.
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Damit das Brückenelement 6, das nach dem Aufschmelzen nur lose auf den Kontaktstegen 4 des Stanzgitters 2 aufliegt, im Auslösefall sich nicht von diesem löst und in die Umgebung gelangt, wo es unter Umständen Kurzschlüsse verursachen kann, ist eine Halteeinrichtung vorgesehen, die das Brückenelement 6 sichert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt das Brückenelement lose auf dem Eingreifelement 13 auf. Wird der Aktuator 11 ausgelöst, wird das vom Stanzgitter 2 gelöste Brückenelement 6 vom Stempel 19 in Richtung weg von dem Stanzgitter 2 bewegt. In der Richtung, in der sich der Stempel 19 des Aktuators 11 beim Auslösen bewegt, befindet sich gegenüber dem Stanzgitter 2 eine Anschlagsplatte 15, die sich im Wesentlichen parallel zum Stanzgitter 2 erstreckt. Gegen diese Anschlagplatte 15 wird das Eingreifelement 13 bewegt und unter Umständen gedrückt, ohne dass das Brückenelement 6 außer Eingriff mit dem Eingreifelement 13 gelangt. Im ausgelösten Zustand liegt dann ein Ende des Eingreifelementes 13 an der Anschlagsplatte 15 an und reicht durch die Halteöffnung 14 des Brückenelementes 6, so dass dieses sicher an der Anschlagsplatte 15 gehalten ist.
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Der Aktuator 11 ist wie oben beschrieben ausgebildet, um bei einer bestimmten Umgebungstemperatur auszulösen. Im dargestellten Beispiel umfasst der Aktuator 11 den Stempel 19, der in einer in Richtung der Bewegungsrichtung des Stempels 19 gerichteten Ausnehmung 17 eines Aktuatorgehäuses 16 geführt wird. Zwischen dem Boden der Ausnehmung 17 und einer Ausnehmung 20 eines dem Führungsgehäuse 16 zugewandten Endes des Stempels 19 ist ein Federelement 18 angeordnet, das mit einer Hülse 26 versehen ist. Im nicht ausgelösten Zustand ist das Federelement 18 vorgespannt, so dass zwischen dem Stempel 19 und dem Aktuatorgehäuse 16 eine Kraft wirkt. Im nicht ausgelösten Zustand wird der Stempel 19 durch Schmelzkörper 21 in seiner Position gegen die Federkraft gehalten. Die Schmelzkörper 21 sind zwischen einer Anschlagskante 22 des Stempels 19 und einem Anschlagsbereich 25 an den jeweiligen Enden der Kontaktstege 4 des Stanzgitters 2 angeordnet.
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Der Stempel 19 ist im Bereich des Schmelzkörpers 21 verjüngt, sodass er sich durch die Kontaktstege 4 gebildete Öffnung des Stanzgitters 2 bewegen kann. Die Schmelzkörper 21 sind aus einem leicht schmelzenden Material gebildet, wie z.B. aus Lot oder Wachs, das im Auslösefall schmilzt und im geschmolzenen Zustand durch einen Zwischenraum 26 zwischen dem jeweiligen Ende der Kontaktstege 4 und dem Stempel 19 des Aktuators 11 herausfließen kann. Dabei löst sich der mechanische Widerstand zwischen der Anschlagskante 22 des Stempels 19 und dem Anschlagsbereich 25 der Kontaktstege 4 und der Stempel 19 bewegt sich in Richtung der Anschlagsplatte 15.
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Der Stempel 19 ist vorzugsweise aus einem nicht-leitenden Material gefertigt, wie z.B. Kunststoff oder Keramik, um nach dem Auslösen keine leitende Verbindung zwischen den Kontaktstegen 4 zu schaffen. Er verhindert damit weiterhin, einen Kurzschluss durch das Federelement
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Anstelle des Federelementes 18, das in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel als Spiralfeder ausgebildet ist, kann auch eine Blattfeder vorgesehen sein oder eine sonstige Maßnahme, wie z.B. Druckluft, vorgesehen sein, die eine permanente Kraft auf den Stempel 19 in Richtung des Schmelzkörpers 21 und in Richtung des Brückenelementes 6 ausübt.
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Das Material des Schmelzkörpers 21 ist vorzugsweise so gewählt, dass bei Temperaturen unterhalb der Schwellentemperatur keine plastische Verformung auftritt. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Metallen bzw. Metalllegierungen der Fall. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass im Auslösefall das geschmolzene Material des Schmelzkörpers 1 nicht anstelle des Brückenelementes 6 einen Kontakt zwischen den Kontaktstegen 4 schafft.
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Die in der gezeigten Ausführungsform dargestellten zwei Schmelzkörper 21 sind ringsegment-förmig und stehen nicht miteinander in Kontakt, so dass über sie keine zufällige elektrische Verbindung geschaffen werden kann. Dazu weist, wie in 3 zu sehen ist, der Stempel 19 Anschlagskanten 22 entlang seiner Umfangsrichtung auf, die nicht vollständig umlaufend sind und durch das nicht-leitende Material des Stempels 19 voneinander getrennt sind. Wird anstelle eines Lotmaterials ein nicht-leitendes Material, wie z.B. Wachs, als Schmelzkörper 21 verwendet, ist eine solche Unterteilung der Anschlagskante 22 nicht notwendig und der Schmelzkörper 21 kann auch als ringförmiges Element um den entsprechenden Abschnitt des Stempels gelegt sein, was die Montage einer solchen Vorrichtung erleichtert.
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In den 4 und 5 ist eine Auslöseeinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Bezugszeichen entsprechen Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Die Ausführungsform der 4 und 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 und 2 dadurch, dass das Brückenelement 6 schwenkbar an einem Ende fixiert ist und auch bei einem Auslösen fixiert bleibt, so dass sich das Brückenelement um die so gebildete Schwenkachse bewegt. Weiterhin unterscheidet sich die Ausführungsform der 4 und 5 von der Ausführungsform der 1 und 2 dadurch, dass sie ohne Halteöffnung vorgesehen ist. Zum Bilden der Schwenkachse ist anstelle der Anschlagsplatte 15 ein Anschlagselement 30 vorgesehen, das ein Ende des Brückenelementes 6 in der Öffnung 9 des Kontaktsteges 4 fixiert, sodass es bei einer Bewegung des Stempels 19 nicht aus der Öffnung 9 gezogen werden kann. Im Auslösefall verflüssigt sich zwar das Verbindungselement 10, jedoch verhindert das Anschlagselement 30, dass der entsprechende Anschlussbereich 8 aus der Öffnung 9 gezogen wird.
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Das Anschlagselement 30 definiert damit eine Schwenkachse des Brückenelements 6, um die das Brückenelement 6 verschwenkt wird, wenn der Aktuator 11 auslöst (siehe 5). Beim Auslösen drückt der Stempel 19 gegen das Brückenelement 6, sodass dieses um die Schwenkachse verschwenkt wird. Dabei wird ein dem fixierten Anschlussbereich 8 gegenüberliegender Anschlussbereich 8 aus der Öffnung 9 in dem entsprechenden Kontaktsteg 4 herausgezogen und abhängig von dem Hub des Stempels 19 um eine definierte Weglänge versetzt. Der Stempel 19 greift an dem Brückenelement 6 zwischen den beiden Anschlussbereichen an, sodass aufgrund einer Hebelwirkung der Weg, um den der Anschlussbereich 8 aus der entsprechenden Öffnung 9 herausgezogen wird, größer ist als der Hub, den der Stempel 19 beim Auslösen des Aktuators 11 zurücklegt. Wirkt der Stempel 19 beispielsweise mittig auf das Brückenelement 6, so wird der Anschlussbereich von der entsprechenden Öffnung um einen Weg versetzt, der etwa der doppelten Hublänge des Stempels 19 entspricht. Auf diese Weise kann die durch das Brückenelement 6 gebildete stromleitende Verbindung zuverlässig unterbrochen werden, indem der Anschlussbereich 8 und das Verbindungselement 10 bzw. der Kontaktsteg 4 mit einem großen Abstand voneinander getrennt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Möglichkeit besteht, dass das aufgeschmolzene Lot der Verbindungsstelle 10 beim Auftrennen Fäden zieht, die erst bei einem ausreichend großen Abstand zwischen Anschlussbereich 8 und Verbindungselement 10 abreißen. Dadurch können der Anschlussbereich 8 und die Verbindungsstelle 10 voneinander zuverlässig getrennt werden, um eine Unterbrechung des Stromflusses durch das Brückenelement 6 zu erreichen.
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Anstelle des Anschlagelementes 30, das bezüglich der entsprechenden Öffnung 9 im Kontaktsteg 4 in Bewegungsrichtung des Stempels 19 beim Auslösen angeordnet ist, kann der erste Anschlussbereich 8 auch durch eine Verbreiterung auf der dem Aktuator 11 zugewandten Seite des Kontaktsteges 4 an dem Kontaktsteg 4 fixiert sein. Die Fixierung bewirkt, dass bei Auslösen des Aktuators 11 der Anschlussbereich 8 nicht aus der entsprechenden Öffnung 9 gezogen werden kann, so dass eine Schwenkachse des Brückenelements 6 an der entsprechenden Öffnung 9 des Kontaktsteges 4 definiert wird.
