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Die Erfindung betrifft eine Stromtrennvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein elektrisches Ladegerät gemäß Patentanspruch 14 und einem Batteriepack gemäß Patentanspruch 15.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind verschiedene Stromtrennvorrichtung bekannt, die bei einem erkannten Fehlerfall den Strom unterbrechen. Beispielsweise werden Temperatursicherungen, Schmelzsicherungen oder Sicherungen aus Bimetall verwendet. Die bekannten Stromsicherungen weisen den Nachteil auf, dass sie nur eine geringe Stromtragfähigkeit bzw. eine geringe Spannungsfestigkeit aufweisen.
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Die Aufgabe besteht darin, eine einfache und kostengünstig aufgebaute Stromtrennvorrichtung vorzusehen, die eine hohe Stromtragfähigkeit bzw. eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Stromtrennvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, durch das Ladegerät gemäß Patentanspruch 14 und durch das Batteriepack gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
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Die Stromtrennvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 weist den Vorteil auf, dass die Stromtrennvorrichtung einfach aufgebaut ist und zuverlässig funktioniert. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen zwei elektrischen Kontakten ein beweglicher Leiter vorgesehen ist, wobei der Leiter im Schließzustand die zwei elektrischen Kontakte elektrisch leitend miteinander verbindet. Der Leiter ist in Richtung auf eine Offenposition vorgespannt, wobei in der Offenposition des Leiters die zwei elektrischen Kontakte elektrische getrennt sind. Zudem ist ein Haltemittel vorgesehen, das ein wärmeempfindliches Element aufweist, wobei dem Element ein Heizelement zugeordnet ist. Durch eine Aktivierung des Heizelements wird das Element in der Weise verändert, dass sich der Leiter in die Offenposition bewegt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das wärmeempfindliche Element in der Weise ausgebildet, dass das Element beim Aktivieren des Heizelementes wenigstens zerstört wird. Auf diese Weise wird eine sichere Öffnung der elektrischen Verbindung zwischen den zwei Kontakten erreicht. Zudem wird sichergestellt, dass die Trennung der zwei elektrischen Kontakte irreversibel erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das wärmeempfindliche Element beispielsweise aus Kunststoff, Wachs oder ein mit Flüssigkeit gefülltes Röhrchen gebildet sein, wobei das Röhrchen bei einer bestimmten Temperatur zerspringt. Somit sind einfache und kostengünstige Realisierungen des Elements möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Element in der Weise ausgebildet, dass das Element sich beim Aktivieren des Heizelements wenigstens verbiegt und eine Bewegung des Leiters in die Offenposition freigibt. Auch mit Hilfe dieser Ausführungsform ist eine sichere und kostengünstige Stromtrennvorrichtung bereitgestellt. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann das Element Verjüngungen oder Sollknickstellen aufweisen, um ein exakt definiertes Auslöseverhalten sicherzustellen. Zudem kann vorzugsweise eine Aussparung in einer Gehäusewand vorgesehen sein, in die das Element eingreift. Auf diese Weise ist ein robuster mechanischer Aufbau bereitgestellt, der gegen mechanische Erschütterungen und Vibrationen geschützt ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Leiter in Form eines vorgespannten Streifens, insbesondere als stabiler Metallstreifen ausgebildet, wobei ein Ende des Streifens mit Hilfe des Elements am zugeordneten Kontakt gehalten wird. Durch die Verwendung des vorgespannten Streifens ist eine einfache Realisierung des Leiters möglich, wird das Element aktiviert, so spring der vorgespannte Streifen von seiner Schließposition in die Offenposition. Damit wird die elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Kontakten unterbrochen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Element als Lötverbindung ausgebildet, die den Leiter am Kontakt hält. Die Lötverbindung ist kostengünstig und kann einfach hergestellt werden. Zudem ermöglicht die Lötverbindung eine sichere Befestigung des Endes des Streifens am zugeordneten Kontakt. Durch ein einfaches Erwärmen der Lötverbindung wird das Lot flüssig und der vorgespannte Streifen kann in seine Offenposition springen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das Element als Klebeverbindung ausgebildet, wobei der verwendete Kleber vorzugsweise elektrisch leitend und temperaturempfindlich ist. Der Kleber ist in der Weise ausgebildet, dass bei Erwärmen des Klebers der Kleber verflüssigt wird. Somit kann durch einfache Erwärmung des Klebers die Befestigung des einen Endes des Leiters gelöst werden, sodass der Leiter in die Offenposition springt. In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement auf einer gegenüber dem Kontakt angeordneten Seite eines Substrates angeordnet, wobei eine Temperaturbrücke zwischen dem Heizelement und dem wärmeempfindlichen Elementsubstrat angeordnet ist. Somit ist ein platzsparender Aufbau ermöglicht, sodass auf der Oberseite, auf der der elektrische Leiter angeordnet ist, kein Platz für das Heizelement benötigt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement im Substrat und angrenzend an das Element angeordnet. Somit wird ein kompakter Aufbau der Stromtrennvorrichtung ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement über einen thermisch leitenden Kanal mit dem Element thermisch leitend verbunden. Somit ist es nicht erforderlich, das Heizelement nahe dem Element vorzusehen. Damit ist eine erhöhte Flexibilität beim Aufbau der Stromtrennvorrichtung gegeben.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement elektrisch in Reihe mit einem Kontakt geschaltet. Somit wird die Stromtrennvorrichtung für eine Überstrombegrenzung verwendet. Aufgrund dieser Anordnung ist keine separate Ansteuerung des Heizelementes erforderlich.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Element aus einem isolierenden Material gebildet sein, dass thermisch verflüssigbar ist. Dazu eignen sich beispielsweise Thermokleber. Die Anordnung des thermisch verflüssigbaren Elements kann in der Weise gewählt werden, dass nach dem Aufschmelzen des Elementes und dem Bewegen des Leiters in die Offenposition sich das Element wieder abkühlt und den Kontakt elektrisch isoliert.
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Vorteilhaft kann die Stromtrennvorrichtung in einem Ladegerät und in einem Batteriepack eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Stromtrennvorrichtung im geschlossenen Zustand,
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2 die Stromtrennvorrichtung im geöffneten Zustand,
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3 eine zweite Ausführungsform einer Stromtrennvorrichtung,
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4 eine Stromtrennvorrichtung, die auf einem Substrat angeordnet ist,
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5 die Stromtrennvorrichtung der 4 im offenen Zustand,
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6 eine weitere Ausführungsform einer Stromtrennvorrichtung und
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7 die Stromtrennvorrichtung der 6 in offenem Zustand.
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Die Erfindung betrifft eine Stromtrennvorrichtung, die insbesondere irreversibel ausgebildet sein kann. Die Stromtrennvorrichtung weist vorzugsweise eine hohe Stromtragfähigkeit bzw. Spannungsfestigkeit auf. Zudem kann die Stromtrennvorrichtung bei einem Fehlverhalten des Stromkreises extern angesteuert bzw. ausgelöst werden. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Stromtrennvorrichtung auch in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet sein. Mit Hilfe der beschriebenen Stromtrennvorrichtung wird der Stromkreis nach einer einmaligen Aktivierung der Stromtrennvorrichtung sicher, wirkungsvoll und vorzugsweise dauerhaft unterbrochen. Zudem ist die Stromtrennvorrichtung aufgrund der vorgeschlagenen Ausführungsformen kostenoptimiert und weist einen geringen Platzbedarf auf.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Stromtrennvorrichtung. Die Stromtrennvorrichtung weist zwei elektrische Kontakte 3, 4 auf, die über einen Leiter 5 in der dargestellten Position elektrisch miteinander leitend verbunden sind. Die Kontakte 3, 4 sind in einer Leitung 16 eines Stromkreises angeordnet. Der Leiter 5 ist beispielsweise als Kontaktplatte ausgebildet und beweglich zwischen einer Feder 1 und einem Element 2 angeordnet. Das Element 2 ist gegen eine erste Anlagefläche 10 und die Feder 1 gegen eine zweite Anlagefläche 11 abgestützt. Der Leiter steht in Kontakt mit den Kontakten 3, 4 und stellt die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontakten her. Das Element 2 ist zudem mit einem Heizelement 6 versehen, das über Anschlüsse 7, 8 mit Strom versorgt wird. Die Anschlüsse 7, 8 sind mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden. Das Element 2 ist aus einem wärmeempfindlichen Material hergestellt, das bei einer bestimmten Aufheizung durch das Heizelement seine Form verändert und der Vorspannkraft der Feder 1 nachgibt, sodass die Gegenkraft der Feder nicht mehr aufgenommen werden kann und dadurch der Leiter 5 in Richtung der ersten Anlagefläche 10 bewegt wird. Dadurch wird die elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Kontakten 3, 4 geöffnet.
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2 zeigt die Stromtrennvorrichtung im geöffneten Zustand. In einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung mit Widerhaken 17 ausgestattet sein, um ein erneutes Bewegen des Leiters 5 in die Schließposition zu verhindern. Wird bei einer Auslösung der Stromtrennvorrichtung der Leiter 5 weggedrückt, so verhindern die zusätzlich seitlich an dem Leiter 5 angebrachten Widerhaken 17 ein Abfallen der Kontaktplatte und ein damit ein erneutes elektrisches Kontaktieren des ersten und des zweiten Kontaktes 3, 4. Die Widerhaken 17 sind damit sowohl am Leiter 5 als auch an der ersten Anlagefläche 10 vorgesehen.
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Als geeignetes Material für das Element 2 kann beispielsweise ein Kunststoff oder Wachse verwendet werden. Das Element 2 ist in der Weise ausgebildet, dass es bei einer entsprechenden Aufheizung weich werden, zerfließen oder seine Festigkeit verlieren kann. Zudem kann als Material für das Element 2 auch ein mit Flüssigkeit gefülltes Glasröhrchen verwendet werden, wobei die Flüssigkeit in der Weise ausgebildet ist, dass bei einer Erwärmung sich die Flüssigkeit so stark ausdehnt, dass das Glasröhrchen bei einer gewissen Grenztemperatur zerspringt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Stromtrennvorrichtung, wobei das Element 2 verjüngte Abschnitte 9 aufweist in denen das in Form eines Stabes ausgebildete Element 2 einen geringeren Durchmesser aufweist. Im verjüngten Abschnitt 9 ist das Heizelement 6 angeordnet. Das Heizelement 6 kann beispielsweise eine Heizwendel aufweisen, die um das Element 2 gewickelt ist. Durch die Verwendung der Heizwendel wird eine einfache und kostengünstige Fertigung des Heizelementes ermöglicht. Wird nun das Heizelement 6 mit genügend Strom beaufschlagt, so verformt sich das stabförmige Element 2 soweit, das es an der Verjüngung, d. h. am verjüngten Abschnitt 9 aufgrund der Gegenkraft der Feder 1 abknickt. Durch das Abknicken verkürzt sich das stabförmige Element 2 und der Leiter 5 wird in Richtung erste Anlagefläche verschoben. Somit wird auch in dieser Ausführungsform bei einer Beheizung des Elementes 2 ein Öffnen der elektrischen Kontakte 3, 4 erreicht.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Anlagefläche 10 in Form einer Gehäusewand ausgebildet und weist an sich ein Sichtfenster 12 auf. Das Sichtfenster 12 ist in der Weise angeordnet, dass die Öffnungs- oder Schließposition des Leiters 5 optisch überprüft werden kann.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann das Element 2 mit zusätzlichen Verjüngungen und/oder Sollknickstellen ausgestattet sein, um ein exakt definiertes Auslöseverhalten sicherzustellen bzw. um das Abknicken an bestimmten Stellen zu ermöglichen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Element 2 eine weitere Verjüngung 13 zusätzlich zum verjüngten Abschnitt 9 auf. Ferner kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn das stabförmige Element 2 mechanisch z. B. durch eine Phase oder einen Konus 30 in eine Aussparung 14 der ersten Anlagefläche 10 bzw. in eine zweite Aussparung 15 des Leiters 5 eingesetzt ist. Durch diesen Aufbau ist die Stromtrennvorrichtung gegenüber Vibrationen und Stößen robuster, da der Federweg bei geschlossenem Kontakt stets ausgeglichen wird. Weiterhin ist die Montage des Elementes 2 durch die Phasen bzw. den Konus 30 vereinfacht.
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Bei der Verwendung des Sichtfensters 12 kann es von Vorteil sein, wenn der Leiter 5, der beispielsweise als Kontaktplatte ausgebildet ist, eine Markierung aufweist, anhand der schnell und sicher erkannt werden kann, ob sich der Leiter 5 in der Offen- oder Schließposition befindet.
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Vorzugsweise kann das Sichtfenster 12, wie dargestellt, im Bereich einer Stirnseite des Elements 2 angeordnet. Damit drückt im geschlossenen Zustand des Leiters 5 das Element 2 sichtbar gegen das Sichtfenster 12. Wird nun die Stromtrennvorrichtung ausgelöst, so kann durch das Abkicken des Elementes 2 dieses nicht mehr in die Aussparung des Sichtfenster 12 eingedrückt werden. Damit kann die Offenposition der Stromtrennvorrichtung einfach erkannt werden. Weiterhin kann die Signalisierung auch durch einen Stößel realisiert werden, wobei z. B. ein kleiner Bolzen an dem Element 2 angebracht ist, der im geschlossenen Zustand des Elementes 2 in das Sichtfenster ragt. Nach einem Auslösen der Stromtrennvorrichtung und einem damit verbundenen Abknicken des Elements 2 sendet der Stößel seine Position und ist nicht mehr von außen im Sichtfenster sichtbar.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform wird die Stromtrennvorrichtung auch zur Überstrombegrenzung verwendet. Dazu ist das Heizelement 6 mit dem ersten und zweiten Anschluss 7, 8 in Reihe mit der elektrischen Leitung 16 geschalten, die beispielsweise zum zweiten Kontakt 4 führt. Somit erwärmt der durch den zweiten Kontakt hindurchfliesende Strom ebenfalls das Heizelement 6 und dem zufolge auch das Element 2. Durch die thermische Zeitkonstante bzw. die Wärmekapazität des Elementes 2 und des Heizelementes 6 wird die Erwärmung mit einer gewissen Verzögerung und Dämpfung an das Element 2 weitergegeben. Somit führen kurzfristige Stromerhöhungen nicht zu einem Erreichen der zur Verformung des Elements 2 notwenigen Temperatur. Die Auslösetemperatur wird somit erst bei einem zeitlich andauernden zu hohen Strom durch den zweiten Kontakt und die Heizwendel erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Element 2 in der Weise ausgebildet, dass nach einem Aufschmelzen des Elements 2 und einem anschließenden Abkühlen der Leiter 5 von dem abgekühlte Material des Elementes 2 wenigstens teilweise umgeben und elektrisch isoliert ist. Dieser Effekt kann zudem verbessert werden, indem zusätzliche elektrisch isolierende und bei einer bestimmten Temperatur schmelzende Elemente, beispielsweise aus Wachs oder Kunststoff vorgesehen werden. Vorzugsweise wird der Leiter 5 im Bereich wenigstens eines Endes, das dem Kontakt 3, 4 zugewandt ist, durch das schmelzende Material elektrisch isoliert. Dadurch wird ein erneutes Schließen der elektrischen Verbindung zwischen den zwei Kontakten 3, 4 durch den Leiter 5 verhindert. Vorzugsweise sind die schmelzenden Elemente im Bereich der Enden am Leiter 5 angeordnet.
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Die 4 bis 7 zeigen weitere Ausführungsformen einer Stromtrennvorrichtung, die auf einem Substrat 20 angeordnet ist und als Element einen vorgespannten elektrisch leitenden Streifen 21 aufweisen. Der Streifen 21 ist mechanisch in der Schließposition in Richtung auf die Offenposition vorgespannt. Der Streifen kann in einem einfachen Fall ein Metallstreifen sein. Der Streifen 21 ist in der 4 in der Schließposition dargestellt und elektrisch leitend mit den beiden Enden mit einem ersten bzw. einem zweiten Kontakt 3, 4 verbunden. Im dargstellten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Ende 22 des Streifens 21 beispielsweise über ein Lot 31 mit dem zweiten Kontakt 4 elektrisch leitend und mechanisch verbunden. Zudem ist ein zweites Ende 23 des Streifens 21 über ein Schmelzmaterial 24 am Substrat 20 und elektrisch leitend mit dem ersten Kontakt 3 verbunden. Dem Schmelzmaterial 24 ist ein Heizelement 6 zugeordnet, dass in der dargestellten Ausführungsform ebenfalls auf dem Substrat 20 angeordnet ist. Das Heizelement 6 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel elektrisch in Reihe zum ersten Kontakt 3 angeordnet und beispielsweise in Form einer Heizwendel oder einer Heizspule ausgebildet. Das Heizelement 6 kann zudem beispielsweise in Form eines elektrischen Widerstandes, in Form eines Widersandsdrahts oder in Form einer elektrischen Spule ausgebildet sein. Wird nun ein ausreichend hoher Stromfluss über den ersten Kontakt 3, das Heizelement 6, den Streifen 21 und den zweiten Kontakt 4 geführt, so erwärmt das Heizelement 6 das Schmelzmaterial 24. Dazu ist das Heizelement 6 thermische Wirkverbindung zum Schmelzmaterial 24 angeordnet. Wird nun das Schmelzmaterial 24 verflüssigt, so federt der Streifen 21 von der in 4 dargestellten Schließposition in die in 5 dargestellte Offenposition. Somit ist die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt 3, 4 unterbrochen.
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Als Schmelzmaterial 24 kann beispielsweise Lot oder ein thermisch leitender Kleber oder ein schmelzbarer Kunststoff verwendet werden. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann das Schmelzmaterial 24 zusätzlich elektrisch leitend beispielsweise in Form eines elektrisch leitenden Schmelzklebers oder Kunststoffes ausgebildet sein.
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6 zeigt eine Stromtrennanordnung, die gemäß 4 aufgebaut ist, wobei jedoch im Gegensatz zur Ausbildung der 4 das Heizelement 6 auf einer Unterseite des Substrats 20 angeordnet ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 6 in Serie zwischen dem Streifen 21 und dem ersten Kontakt 3 bzw. zwischen dem Schmelzmaterial 24 und dem ersten Kontakt 3 angeordnet. Das Heizelement 6 ist dabei über thermisch leitende Verbindungskanäle 25 thermisch an das Schmelzmaterial 24 angekoppelt. Dazu sind die Verbindungskanäle 25 von der Unterseite bis zur Oberseite des Substrates 20 geführt. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann auch nur ein einziger Verbindungskanal 25 vorgesehen sein. Die Verbindungskanäle sind mit einem thermisch leitenden Material, beispielsweise mit Lot gefüllt.
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Weiterhin kann abhängig von der gewählten Ausführungsform das Heizelement 6 auch im Substrat angrenzend an das Schmelzmaterial 24 angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist auf der Unterseite des Substrats 20 eine elektrisch leitende Fläche 26, insbesondere eine Kupferfläche ausgebildet. Die leitende Fläche 26 ist über mindestens einen Verbindungskanal 25 mit dem Schmelzmaterial 24 thermisch verbunden.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann das Heizelement 6 der 4 bis 7 nicht in Reihe zum ersten Kontakt 3 geschalten sein und über separate Anschlüsse mit Strom versorgt werden.
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7 zeigt die Stromtrennvorrichtung der 6 im offenen Zustand. Die beschriebenen Stromtrennvorrichtungen eignen sich vorzugsweise für die Anwendung in einem elektrischen Ladegerät, insbesondere in einem Ladegerät für tragbare Elektrowerkzeuge. Dazu können beispielsweise jede einzelne Zelle eines Batteriepacks des Elektrowerkzeuges einer entsprechenden Stromtrennvorrichtung zugeordnet sein.
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Somit eignet sich die beschriebene Stromtrennvorrichtung für die Anwendung in einem Batteriepack, das beispielsweise zur Versorgung von tragbaren Elektrowerkzeugen verwendet wird.
