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Die Erfindung betrifft eine thermische Überlastschutzvorrichtung, insbesondere für eine Überspannungsschutzeinrichtung, die zwei mittels mindestens einer bei Überlast schmelzenden Lotverbindung elektrisch verbundene Stromführungselemente aufweist.
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Eine derartige Überlastschutzvorrichtung ist zum Beispiel als Strom-Überlastschutzvorrichtung bekannt. Zur Trennung einer elektrischen Verbindung bei thermischer Überlast ist zwischen den beiden durch Lotverbindung elektrisch verbundenen Stromführungselementen eine Druckfeder angeordnet, die die beiden Stromführungselemente nach Aufschmelzen der Lotverbindung auseinander drückt. Dabei muss jedoch mindestens eines der Stromführungselemente elektrisch von der Druckfeder isoliert sein.
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Entsprechende Überlastschutzvorrichtungen, z. B. mit federbetätigten Schiebern, werden insbesondere auch als thermische Trennelemente für Überspannungsschutzeinrichtungen verwendet, wobei ein Varistor der Überspannungsschutzeinrichtung den zu schützenden Strompfad bei Überspannung mittels des thermischen Trennelements elektrisch auftrennt. Die Trennung der Stromführungselemente erfolgt dabei jedoch mit relativ geringer Geschwindigkeit. Dies führt insgesamt zu einem geringen Schaltvermögen einer solchen Überlastschutzvorrichtung, insbesondere bei Gleichspannungs-Schaltkreisen, also DC-Anwendungen.
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Aus der
DE 100 24 381 A1 ist ein dreipoliger Thermoschalter zum Schutz von wärmeempfindlichen Bauelementen bekannt, aufweisend ein Gehäuse zur Aufnahme eines Kontaktsteges und zwei mechanisch vorgespannter Kontaktfedern, die durch eine Lotsicherung gesichert an dem Kontaktsteg anliegen, wobei die Lotsicherung bei Überschreiten einer Schwellentemperatur schmilzt und die Kontaktfedern von dem Kontaktsteg zur Unterbrechung des elektrischen Kontaktes weggeschwenkt werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Überlastschutzvorrichtung bereitzustellen, die die Stromführungselemente bei thermischer Überlast schnell und zuverlässig voneinander trennt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die oben genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens eines der Stromführungselemente ein eigenelastisches Stromführungselement ist, das durch die Lotverbindung in einer einem nicht-stabilen Zustand oder einem metastabilen Zustand dieses Stromführungselements zugeordneten ersten Gestalt gehalten ist und sich durch Schmelzen der Lotverbindung in eine einem stabilen Zustand dieses Stromführungselements zugeordnete zweite Gestalt verformt, bei der die beiden Stromführungselemente elektrisch voneinander getrennt sind. Die thermische Überlastschutzvorrichtung ist eine Art Schmelzsicherung, die trotz ihres einfachen Aufbaus und der geringen Anzahl ihrer Komponenten einen wohldefinierten Gesamtstand der Vorrichtung im „geöffneten Schaltzustand” gewährleistet. Das Lot der Lotverbindung ist vorzugsweise ein Weichlot mit einer Schmelztemperatur von 150°C–250°C, insbesondere ein Weichlot mit einer Schmelztemperatur von 180°C–220°C.
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Bevorzugt weist das eigenelastische erste Stromführungselement einen stabilen Zustand und einen metastabilen Zustand mit jeweils entsprechender Gestalt auf. Während des Fertigungs- bzw. Herstellungsprozesses der Überlastschutzvorrichtung wird das erste Stromführungselement in die dem metastabilen Zustand entsprechende erste Gestalt oder in die Nähe der dem metastabilen Zustand entsprechenden ersten Gestalt verbracht und dort durch die Lotverbindung zusätzlich stabilisiert. Tritt im Betrieb der Überlastschutzvorrichtung eine Erwärmung der Lotverbindung auf, welche die Lotverbindung zum Aufschmelzen bringt, so verformt sich das erste Stromführungselement sprungartig zurück in die dem stabilen Zustand entsprechende zweite Gestalt. Diese zweite Gestalt ist derart, dass die beiden Stromführungselemente elektrisch vollständig voneinander getrennt sind. Das andere (zweite) Stromführungselement kann dabei zum Beispiel ein völlig starres Stromführungselement sein.
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Vorzugsweise ist das eine Stromführungselement einstückig ausgebildet. Die Elastizität dieses Stromführungselements ergibt sich somit aus der inneren Struktur dieses Elements.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das eine Stromführungselement und auch das andere Stromführungselement als eigenelastische Stromführungselemente mit jeweils einem stabilen Zustand und einem nicht-stabilen oder metastabilen Zustand ausgebildet sind. Bei einer Überlastschutz vorrichtung mit derartigen Stromführungselementen, die z. B. symmetrisch angeordnet sind, kann die Trennstrecke deutlich erhöht werden.
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Die Überlastschutzvorrichtung ist insbesondere geeignet für die Verwendung in einer Überspannungsschutzeinrichtung, wobei die thermische Überlastschutzvorrichtung zum Beispiel einem überspannungsempfindlichen Bauelement, vorzugsweise einem Varistor, der Überspannungsschutzeinrichtung vorgeschaltet wird und das Bauteil den zu schützenden Strompfad bei Überspannung mittels der thermischen Überlastschutzvorrichtung elektrisch auftrennt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das eine Stromführungselement als Metallfeder ausgebildet ist. Metallfedern weisen eine hinreichende Eigenelastizität auf und lassen sich als Druck-, Zug- Biege- und/oder Torsionsfedern unterschiedlicher Form gestalten.
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Gemäß der Erfindung ist das eine Stromführungselement als ein im wesentlichen blattfederartiges und/oder kappenförmiges Knackfrosch-Element ausgebildet. Dabei versteht man im üblichen Sprachgebrauch unter dem Begriff „Knackfrosch” eine Feder, die aus einem Streifen Federstahl besteht. Der Stahl ist vorzugsweise so geprägt, dass er einen stabilen und einen metastabilen Zustand aufweist. Durch Krafteinwirkung im stabilen Zustand wird er verbogen bis er plötzlich durch Beulen in den metastabilen Zustand springt. Ein ähnlicher bzw. auf einem vergleichbaren Prinzip basierender Mechanismus wird bei dem Knackfrosch-Element verwendet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Knackfrosch-Element in seinem radialen Außenbereich mit einer Oberfläche eines das Knackfrosch-Element tragenden Grundelements in mindestens einem Umfangsabschnitt, insbesondere vollumfänglich, verbunden ist. Das Knackfrosch-Element ist dabei bevorzugt ein kalotten- bzw. kappenförmiges Knackfrosch-Element. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Knackfrosch-Element rotationssymmetrisch ausgestaltet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der radiale Außenbereich des Knackfrosch-Elements als abgeflachte Krempe ausgebildet ist. Durch den krempenartigen Außenbereich kann eine großflächige Verbindung zur Oberfläche des Grundelements gewährleistet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zwischen Knackfrosch-Element und Grundelement ausgebildeter Hohlraum -zumindest teilweise- eine vorbestimmte Füllung zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit zwischen den getrennten Stromführungselementen aufweist. Die elektrische Festigkeit der sich ergebenden Trennstrecke zwischen den getrennten Stromführungselementen unter normaler Luft-Atmosphäre ist verhältnismäßig gering. Zur Verhinderung eines Stromdurchschlags und/oder eines Kriechstroms ist der Hohlraum daher mit einer die elektrische Festigkeit gegenüber der Luft erhöhenden Füllung gefüllt. Diese Füllung kann gasförmig, flüssig und/oder -zumindest bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Lots- auch fest sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, das die vorbestimmte Füllung ein Löschgas, ein Öl und/oder ein Wachs aufweist. Durch diese Füllungen wird die elektrische Festigkeit, aber auch das Schaltverhalten deutlich verbessert. Die Füllung ist zum Beispiel eine Gasfüllung. An Stelle oder ergänzend zu einer solchen Gasfüllung ist auch eine vollständige oder teilweise Befüllung des Hohlraums mit einem Öl oder Wachs von Vorteil, wobei ein Wachs einerseits fertigungstechnisch besonders leicht zu verarbeiten ist und andererseits bei einer Temperatur, bei der die Lotverbindung aufschmilzt, bereits flüssig ist.
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Bei einer Füllung mit einer Flüssigkeit oder mit einem Wachs kann man durch entsprechende Ausführung der Stromführungselemente erreichen, dass die eigentliche Kontaktstelle zwischen den Stromführungselementen mit der Lotverbindung zum Zeitpunkt der elektrischen Trennung der beiden Stromführungselemente unabhängig von der Ausrichtung bzw. Lage der Überlastschutzvorrichtung unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt. So würde die entstehende Trennstrecke mit der elektrisch wesentlich festeren Füllung, also dem flüssigen Dielektrikum, gefüllt, was ein wesentlich verbessertes DC-Schaltvermögen zur Folge hat.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das andere Stromführungselement als Teil einer zumindest teilweise an der Oberfläche des Grundelements angeordnete elektrische Kontakteinrichtung ausgebildet ist. Die Kontakteinrichtung ragt dabei soweit in den Hohlraum hinein, dass das eine Stromführungselement bei bestehender Lotverbindung in der dem metastabilen Zustand entsprechenden ersten Gestalt oder zumindest in der Nähe der dem metastabilen Zustand entsprechenden ersten Gestalt ist.
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Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Grundelement als ein das Knackfrosch-Element im Außenbereich kontaktierender Leiterbahnenträger, insbesondere eine Leiterplatte, ausgebildet ist. Mindestens eine Leiterbahn des Leiterbahnenträgers kontaktiert dabei das vorzugsweise als Knackfrosch-Element ausgebildete eine Stromführungselement und mindestens eine andere Leiterbahn kontaktiert das andere Stromführungselement. Dieses kann zum Beispiel als simpler Metallkörper (Metallblock) ausgebildet sein, der zum Beispiel mittels einer Lotverbindung unter Verwendung eines hochschmelzenden Lots auf einer Leiterbahnstruktur des Leiterbahnträgers befestigt und dabei elektrisch kontaktiert ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.
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1 zeigt in einer perspektivischen Schnittdarstellung eine Ausführung der thermischen Überlastschutzvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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2 zeigt den Querschnitt durch die thermische Überlastschutzvorrichtung der 1 entlang der in 3 gezeigten Schnittlinie A-A und
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3 zeigt eine Draufsicht auf die thermische Überlastschutzvorrichtung der 1.
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1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der thermischen Überlastschutzvorrichtung 1 mit zwei auf einem als Leiterbahnenträger 3 ausgebildeten Grundelement 5 angeordneten und mittels mindestens einer bei Überlast schmelzenden Lotverbindung 7 elektrisch verbundenen Stromführungselementen 9, 11. Das erste Stromführungselement 9 ist ein als Knackfrosch-Element 13 ausgebildetes eigenelastisches Stromführungselement 9 und das andere (zweite) Stromführungselement 11 ist ein als starrer Metallkörper 15 einer Kontakteinrichtung 17 ausgeführtes Stromführungselement 11, das zentral unterhalb des ersten Stromführungselements 9 auf dem Grundelement 5 angeordnet ist.
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Das eigenelastische erste Stromführungselement 9 weist einen metastabilen Zustand mit einer zugeordneten ersten Gestalt und einen stabilen Zustand mit einer zugeordneten zweiten Gestalt (nicht gezeigt) auf. Die beiden Stromführungselemente 9, 11 sind im nicht ausgelösten Gesamtzustand der Überlastschutzvorrichtung 1 durch die Lotverbindung 7 miteinander elektrisch leitend verbunden. In diesem nicht ausgelösten Gesamtzustand wird das eine Stromführungselement 9 in der dem metastabilen Zustand zugeordneten ersten Gestalt gehalten. Durch Schmelzen der Lotverbindung, also durch ein Auslösen der Überlastschutzvorrichtung 1, verformt sich dieses Stromführungselement 9 in die dem stabilen Zustand zugeordnete zweite Gestalt, wobei die beiden Stromführungselemente 9, 11 elektrisch voneinander getrennt werden.
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Das kappenförmig und rotationssymmetrisch ausgebildete Knackfrosch-Element 13 ist in seinem radialen Außenbereich 19 mit einer Oberfläche des Grundelements 5 vollumfänglich verbunden. Der radiale Außenbereich 19 des Knackfrosch-Elements 13 ist dabei als abgeflachte Krempe 21 ausgebildet.
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Ein sich zwischen dem kappenförmigen Knackfrosch-Element 13 und dem Grundelement 5 ausbildender Hohlraum 23 ist zumindest teilweise mit einer Füllung 25 zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit zwischen den getrennten Stromführungselementen 9, 11, also dem Knackfrosch-Element 13 und dem Metallkörper 15, gefüllt. Diese Füllung 25 ist insbesondere ein Wachs zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit.
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Mindestens eine Leiterbahn und/oder eine Durchkontaktierung 27 des als Leiterplatte ausgebildeten Leiterbahnenträgers 3 kontaktiert das Knackfrosch-Element 12 in dessen radialem Außenbereich 19 und mindestens eine andere Leiterbahn und/oder eine Durchkontaktierung 29 kontaktiert das andere Stromführungselement 11. Dieses ist im gezeigten Beispiel der 1 bis 3 ein simpler Metallkörper (Metallblock) 15, der mittels einer weiteren Lotverbindung 31 unter Verwendung eines hochschmelzenden Lots auf einer Durchkontaktierung des Leiterbahnträgers befestigt und dabei elektrisch kontaktiert ist. Das hochschmelzende Lot der weiteren Lotverbindung 31 hat dabei eine deutlich höhere Schmelztemperatur als das Lot der Lotverbindung 7 zwischen den Stromführungselementen 9, 11.
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Es ergibt sich folgende Funktion der Überlastschutzvorrichtung 1: Bei Überlast schmilzt das zwischen den Stromführungselementen 9, 11 angeordnete Lot, sodass die entsprechende Lotverbindung 7 gelöst wird. Das eine Stromführungselement 9 wird dadurch nicht mehr im metastabilen Zustand und der zugehörigen ersten Gestalt gehalten und „schnappt” zurück in den stabilen Zustand und die damit verbundene zweite Gestalt. Durch die Annahme dieser zweiten Gestalt sind die beiden Stromführungselemente jedoch eindeutig und stabil von einander elektrisch getrennt.
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Somit wird in einfacher, kostengünstig realisierbarer, schneller und reproduzierbarer Weise eine Möglichkeit bereitgestellt, das Schaltverhalten und die Festigkeit der Trennstrecke von Überlastschutzvorrichtungen zu verbessern und gleichzeitig ein wesentlich verbessertes DC-Schaltvermögen zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Überlastschutzvorrichtung
- 3
- Leiterbahnenträger
- 5
- Grundelement
- 7
- Lotverbindung
- 9
- ein Stromführungselement
- 11
- ein anderes Stromführungselement
- 13
- Knackfrosch-Element
- 15
- Metallkörper
- 17
- Kontakteinrichtung
- 19
- radialer Außenbereich
- 21
- Krempe
- 23
- Hohlraum
- 25
- Füllung
- 27
- Durchkontaktierung
- 29
- Durchkontaktierung
- 31
- weitere Lotverbindung
