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Die vorliegende Erfindung betrifft eine schaltbare Steckdose gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Schaltbare Steckdosen dienen dazu, solche elektrische Betriebslasten, welche bestimmungsgemäß durch einen Netzstecker an das elektrische Stromnetz angeschlossen werden, schaltbar zu machen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um elektrische Lampen, Ventilatoren, Luftbefeuchter oder Heizungen, welche auf diese Art fernsteuerbar und regelbar im Sinne einer Zweipunktregelung gemacht werden können. In zunehmendem Maß werden vom energiebewussten Endverbraucher aber auch Geräte mit hoher Standby-Leistung, wie Musikanlagen und Fernseher, abschaltbar eingerichtet, um elektrische Energie zu sparen. Andere Geräte, bei denen ein gezieltes Einschalten sinnvoll ist, sind Hausgeräte wie Waschmaschinen und Geschirrspüler, welche von modernen Energiemanagement-Systemen zukünftig genau dann eingeschaltet werden, wenn ein zeitvariabler Stromtarif einen wünschenswerten Niedrigstpreisstand erreicht hat.
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Zur Steuerung dieser oder anderer Geräte wird die schaltbare Steckdose, nachfolgend auch Funktionsstecker genannt, in eine vorhandene Steckdose eingesteckt. In die schaltbare Steckdose wiederum steckt der Benutzer den Stecker des Gerätes ein. In der schaltbaren Steckdose befindet sich mindestens ein Schalter, in aller Regel handelt es sich dabei um ein Relais, welcher mindestens einen der beiden zur Stromführung benötigten elektrischen Leiter des Steckers unterbrechen kann. Es sind auch Ausführungen mit zweipoliger Abschaltung in Form eines zweipoligen Relais oder zweier Einzelrelais bekannt, welche in der Lage sind beide elektrischen Leiter zu unterbrechen. Zur Ansteuerung des elektrischen Schalters dient in aller Regel ein digitales Schaltglied, zum Beispiel auch ein Mikroprozessor, mit nachgeschalteter Relais-Treiberstufe. Das Interface zum Benutzer besteht zumeist aus einer Schalttaste oder alternativ aus einem kleinen Funkempfänger. Der Schaltkontakt wird dann entweder betätigt, wenn der Benutzer die Taste kurz drückt oder aber mittels einer Fernbedienung ein Funksignal an den Funkempfänger sendet. Andere Formen der Bedienung sind denkbar, sollen hier jedoch nicht weiter betrachtet werden.
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Funktionsstecker erzeugen elektrische Verlustleistung und infolge davon Wärme. Als Wärmequellen kommen zum Beispiel das Netzteil zur Stromversorgung der Steuerschaltung des Funktionssteckers, die elektronischen Ansteuerkomponenten für das Relais, eventuell im Stromkreis befindliche Sicherungen oder Messwiderstände, sowie die elektrischen Zuleitungen zwischen den Kontakten und dem Relais in Betracht. Die von diesen Quellen erzeugte Wärme ist relativ konstant und kann leicht berechnet werden. Aber auch der Relaiskontakt selbst erzeugt an der Schaltstelle Wärme aufgrund des Kontakt-Übergangswiderstandes, welcher seinerseits stark vom Zustand des Relaiskontaktes abhängt. Dieser selbst variiert stark mit der Art der Belastung, zum Beispiel ob es sich um Glühlampen oder kapazitive Lasten mit einem hohen Einschaltstrom oder induktive Lasten mit einem starken Abschaltfunken handelt. Die wohl ungünstigste Belastung eines Relais stellt es dar, wenn in immer der gleichen Netzhalbwelle zu- oder abgeschaltet wird. Dies führt zu Materialwanderungen von einem der Schaltkontakte zum anderen, solange, bis das spezielle Kontaktmaterial auf einem der Kontakte komplett erodiert ist. Die Hersteller der Relais sowie diejenigen, welche die Relais im Betrieb ansteuern, geben sich daher größte Mühe, durch geeignete Kontaktmaterialien sowie Ansteuerverfahren den Effekt eines ansteigenden Relaiskontaktes in berechenbaren Grenzen zu halten. Dennoch müssen die Relais speziell im Falle der Funktionsstecker erheblich überdimensioniert werden, da die genaue Betriebslast über die Lebensdauer für den Hersteller praktisch nicht vorhersehbar ist. Der Kontaktwiderstand und damit dessen Erwärmung schwanken dabei je nach Lastart trotz aller Vorkehrungen erheblich, ein Faktor von 3–5 ist keine Seltenheit.
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Eine weitere ganz wesentliche Wärmequelle im Verbund aus Steckdose, in diese eingestecktem Funktionsstecker und in diesen selbst wiederum eingestecktem Laststecker, ist der Übergangswiderstand der einzelnen Steckkontakte. Gemeint ist der elektrische Kontakt zwischen einer Buchse der Steckdose einerseits und einem Stift des Funktionssteckers andererseits. Hiervon gibt es zwei elektrische Kontaktübergänge für jeden der beiden bevorzugten elektrischen Leiter (der Schutzkontaktleiter wird hier nicht betrachtet). Weiterhin gemeint ist der elektrische Kontakt zwischen einer Buchse des Funktionssteckers einerseits und einem Stift des Laststeckers andererseits. Auch hiervon sind im System für jeden bevorzugten elektrischen Leiter zwei Übergänge vorhanden. Insgesamt handelt es sich also um vier elektrische Übergänge, die jeweils einen elektrischen Übergangswiderstand bilden.
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Dessen jeweiliger genauer Anteil an der Verlustwärmeerzeugung kann noch wesentlich schlechter vorhergesagt werden als der des Relais. Beim Relais nämlich ist der elektrische Kontakt in der Regel hermetisch gekapselt und somit gegen den Einfluss von Schmutz und Feuchte geschützt. Die Steckkontakte von Steckdose, Funktionsstecker und Laststecker hingegen liegen systembedingt offen und sind vor allem im nicht gesteckten Zustand sämtlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Während man die Buchsenkontakte durch geeignete Schieber an den dafür vorgesehenen Löchern des Gehäuses noch etwas schützen kann, sind die nicht gesteckten Kontaktstifte der Stecker allen Einflüssen absolut schutzlos ausgesetzt. Der elektrische Übergangswiderstand eines in eine Buchse eingesteckten Kontaktstiftes ist daher praktisch unvorhersagbar und kann leicht um den Faktor 5 variieren.
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Man kann zwar durch geeignete Kontaktwerkstoffe die Korrosionsneigung des selbst entwickelten Steckpartners im Rahmen des ökonomisch möglichen reduzieren, z. B. hat der Hersteller des Funktionssteckers Einfluss auf die Kontaktgüte der darin befindlichen Buchsen und Steckerstifte, nicht jedoch die der anderen beteiligten Steckpartner, in diesem Fall also der Steckdose und des Laststeckers. So kann es zu erheblichen Erhitzungen kommen. Die Norm macht hier eine Vorgabe, die besagt, dass die Erwärmung der Steckverbindung bei Nennlast maximal 45 K betragen darf, ohne jedoch zu definieren, welcher genaue Übergangswiderstand bei dieser Messung vorhanden ist. Die Praxis zeigt, dass dies unzureichend ist, weil der tatsächlich mögliche Zustand der Kontakte nicht berücksichtigt wird. Zudem halten sich zahlreiche Hersteller und Importeure von Geräten mit Buchsen und Steckern insbesondere aus Billiglohnländern nicht an die Norm, und deren Kontakte überhitzen bei Nennbelastung sehr stark, wie Messungen renommierter Institute bewiesen haben. Auch wenn sich der Benutzer nicht streng an diese Vorgaben in der Bedienungsanleitung – soweit überhaupt vorhanden (z. B. Steckerleisten) – hält, oder die Umgebungsluft zum Beispiel in einer Küche durch Feuchte und Fettausdünstungen belastet ist, werden sehr schnell isolierende Schichten aufgebaut, welche beim einfachen Steckvorgang nicht wie vorgesehen hinreichend durchbrochen werden können.
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Die Höhe der erzeugten Wärme ist proportional dem Widerstand von Leitern und Kontaktübergängen und dem Quadrat des Laststromes. Wenn beispielsweise ein typisch festgestellter Übergangswiderstand von 2,5 mΩ bei 10 A eine Verlustleistung von 250 mW erzeugt, sind es bei allen vier Übergängen bereits 1.000 mW. Bei 16 A entstehen so bereits knapp 2,56 W elektrischer Verlustleistung, bei 16 A und einem fünffach erhöhten Widerstand sind es satte 12,8 W. Während eine Leistung von 1 W relativ gut durch die Oberfläche des gesamten Steckverbundes abgeführt werden kann, führt eine Verlustleistung von 12 W zu einer sehr starken Erwärmung der Oberfläche und zu einer gefährlichen Überhitzung der Kontakte. Diese kann zum Beispiel zum Schmelzen von Plastikteilen führen.
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Durch solch undefiniertes Steckkontaktverhalten entstehen neben Schäden am Gerät Gefahrensituationen, welche von einer einfachen Verbrennung durch Berührung des gerade herausgezogenen überhitzten Steckerstiftes bis hin zum Gebäudebrand führen können. Diese gilt es zu vermeiden, und zwar zur Sicherheit des Verbrauchers dem gesunden Menschenverstand nach unabhängig davon, ob er den Funktionsstecker vorschriftsmäßig gebraucht hat (also beispielsweise entsprechend einer Bedienungsanleitung nicht in Feuchträumen) oder ob der Steckkontaktpartner die Norm einhält.
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Es besteht daher Bedarf an einer Lösung, wie dieses Risiko sicher und zu vertretbaren Kosten, bei einem gleichzeitig kompakten und damit formschönen Gehäusedesign, vermieden werden kann.
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Ein weiteres Problem entsteht dann, wenn ein Funktionsstecker lediglich für eine kleinere Leistung dimensioniert ist, als sie das Versorgungsnetz zulässt. Beispielsweise kann ein Funktionsstecker auch für nur 10 A Nennstrom gebaut und im Datenblatt deklariert sein. Ein typischer deutscher Haushalts-Stromkreis liefert jedoch beispielsweise 16 A. Wenn der Benutzer ein solches Gerät versehentlich mit einer Last von mehr als der Nennlast betreibt, wird es sich ebenfalls aufgrund der genannten Wärmequellen überhitzen. Wenn nun der Betrieb bei zu hohem Laststrom beispielsweise dadurch verhindert wird, dass im Funktionsstecker eine Schmelzsicherung auslöst, wenn das Gerät im unzulässigen Bereich betrieben wird, führt ein Fehlbetrieb entweder zum Totalausfall, wenn die Sicherung nicht gewechselt werden kann, oder zu einem erhöhten Fertigungsaufwand, falls die Sicherung wechselbar ausgeführt ist.
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Des Weiteren ist es wünschenswert, stets das gesamte Leistungspotenzial eines Funktionssteckers auszuschöpfen, ohne dass dabei eine Gefahrensituation entsteht. So ist auch ein Gerät, welches für einen Dauerstrom von beispielsweise 12 A dimensioniert wurde, in aller Regel technisch in der Lage, für eine bestimmte Zeit von beispielsweise 30 Minuten einen wesentlich höheren Strom, also z. B. 16 A zu führen. Die thermische Zeitkonstante eines Funktionssteckers ist nämlich sehr hoch, so dass es bei kurzzeitigen Strombelastungen oberhalb des Nennwertes nicht zu gefährlichen Temperaturüberhöhungen kommt. Geräte, welche beispielsweise typischerweise zeitweise im Mittel Ströme von etwa 14 A benötigen, in der restlichen Zeit jedoch lediglich etwa 5 A, sind Waschgeräte. In der Aufheizphase braucht die Heizung in aller Regel einen Strom von 10 A, gleichzeitig benötigt ein reversierender Motor in der Bewegungsphase bis zu 8 A. Da sich der Motor aber nur jeweils eine bestimmte Zeit bewegt und darauf eine Pause folgt, entsteht während der Aufheizphase ein mittlerer Strombedarf von ca. 14 A. Wenn ein für 12 A dimensionierter Funktionsstecker an einem solchen Gerät betrieben wird, kann er normalerweise nicht erkennen, dass es sich nur um eine kurzzeitige Belastung handelt. Zudem weiß er nicht, wie stark der Funktionsstecker bereits aufgrund des Vorgeschehens erwärmt ist. Es muss also sicherheitshalber eine Abschaltung erfolgen, sobald der Nennstrom für eine kurze Zeit überschritten wurde. Dies setzt voraus, dass eine Strommesseinrichtung vorhanden ist. Falls auch hier eine Sicherung eingebaut ist, welche bei Überschreitung des Nennstromes ausschaltet, so wird diese ebenfalls auslösen, wenn der Nennstrom nur kurzzeitig überschritten wurde. Tatsächlich wäre dies jedoch bei dem beschriebenen Gerät nicht notwendig gewesen.
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Eine absolut sichere Lösung der beschriebenen Aufgabe, die Auswirkung eines undefinierten Kontaktwiderstandes zu eliminieren, ist bisher nicht bekannt. In aller Regel werden sich die Hersteller auf die Einhaltung der Norm, die einen maximalen Verschmutzungsgrad vorgibt, durch ihr Gerät berufen. Sie verlangen vom Endverbraucher, implizit oder ausdrücklich, dass dieser das Gerät nur in einer sauberen Umgebung benutzt und für unverschmutzte Kontakte sorgt. In der Bedienungsanleitung, sofern es zum Gerät überhaupt eine solche gibt, steht dann, für welchen Verschmutzungsgrad das Gerät geeignet ist. Es ist jedoch unter normalen Bedingungen nicht vorhersehbar, welchen Kontakt-Widerstandswert beispielsweise eine jahrelang nicht benutzte Wandsteckdose hat, oder der Stecker einer Kabeltrommel, welche zuvor im harten Umfeld einer Baustelle im Einsatz war. Somit kann zumindest in Einzelfällen eine Gefahrensituation nicht gänzlich ausgeschlossen werden.
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Aber auch schon um die gängigen Normen einzuhalten, sind erhebliche Bemühungen notwendig. Auch die oben genannte, bei typischen Übergangswiderständen mit sauberen Kontakten auftretende, Verlustleistung von ca. 2,5 W bei 16 A Laststrom erzeugt in Verbindung mit den ebenfalls oben genannten konstanten Verlustleistungen eine erhebliche Erwärmung. Daher versuchen die Hersteller von Funktionssteckern mit hoher Nenn-Schaltleistung die Gehäuse möglichst groß zu machen, damit sich die erzeugte Wärme im Gehäuse weiträumig verteilen kann. Sie wird dann über die entsprechend größere Gehäusefläche vorteilhaft abgeführt. Auch werden die Metallflächen der Kontakte, Zuleitungen und Leiterbahnen maximiert, um so als Kühlkörper zu wirken. Zudem versucht man, die beschriebenen berechenbaren Verluste durch Leiterbahnen, Sicherungen, Messwiderstände, Relais usw. durch möglichst großzügige Dimensionierung zu reduzieren, so dass die Summe aller Wärmeeinträge minimiert wird. Dies ist kostenaufwändig.
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Alle bisher beschriebenen Maßnahmen führen jedoch nachteilig leicht zu unschönen, klobigen Designs und so großen Gehäuseabmessungen, dass mehrere gleichartige Funktionsstecker nicht in nebeneinander liegende Steckdosen passen.
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Falls ein Funktionsstecker – wie beschrieben – eigentlich für einen kleineren Nennstrom ausgelegt ist, als ihn das Netz liefern kann und daher theoretisch dauerhaft mit zu hohem Strom betrieben werden könnte, kann der Funktionsstecker entsprechend mit einer Schmelzsicherung abgesichert sein. Nachteilig daran ist, wenn die Sicherung zu schnell auslöst und damit einen Servicefall oder gar Totalausfall bewirkt, oder wenn sie schlimmstenfalls gar nicht auslöst, und es dann zu einer der oben beschriebenen Gefahrensituationen kommt. Eine Schmelzsicherung, die zuverlässig alle möglichen Lastsituationen berücksichtigt, welche an einem Funktionsstecker durch den dem Hersteller unbekannten, variablen Einsatzzweck vom Benutzer erzeugt werden können, ist nicht bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schaltbare Steckdose mit einem verbesserten Schutz gegen thermische Überlastung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine schaltbare Steckdose mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die schaltbare Steckdose weist eine versorgungsseitige Anschlusseinrichtung mit wenigstens einem ersten Anschlusselement; wenigstens eine verbraucherseitige Anschlusseinrichtung mit wenigstens einem zweiten Anschlusselement; wenigstens eine elektrische Leitung, welche ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement miteinander verbindet; und wenigstens eine Schalteinrichtung zum wahlweisen Trennen oder Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement. Weiter ist wenigstens eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur der Steckdose vorgesehen. Eine Steuervorrichtung ist mit dieser wenigstens einen Temperaturerfassungseinrichtung verbunden und ausgebildet, um die wenigstens eine Schalteinrichtung in Abhängigkeit von dem erfassten Temperaturwert anzusteuern.
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Gemäß der Erfindung weist die schaltbare Steckdose wenigstens eine Temperaturerfassungseinrichtung auf, welche eine Temperatur der Steckdose erfassen kann. Es kann somit unmittelbar eine Überhitzung bzw. eine drohende Überhitzung der Steckdose festgestellt werden. Die Schalteinrichtung der schaltbaren Steckdose wird durch eine Steuervorrichtung entsprechend dem mittels der Temperaturerfassungseinrichtung erfassten Temperaturwert zum Trennen oder Herstellen der elektrischen Verbindung angesteuert.
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Die erfindungsgemäße schaltbare Steckdose wird vor der oben beschriebenen thermischen Überlastung dadurch punktgenau geschützt, dass durch eine elektronische Schutzschaltung ihre Temperatur vorzugsweise in der Umgebung der Steckkontakte überwacht wird und bei zu hohem Temperaturwert die Last ausgeschaltet wird, bis die notwendige Abkühlung erreicht ist.
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Die Dimensionierung von Komponenten und Gehäuseabmessungen kann so erfolgen, dass im Normalbetrieb, also mit nicht unzulässig verschmutzten Kontakten und bei dauerhaft abverlangtem Nennstrom, keine unzulässige Erwärmung erfolgt. Eine Überdimensionierung ist nicht notwendig. Dennoch können die beschriebenen Fälle, welche außerhalb des Normalbetriebes zu gefährlichen Situationen oder Geräte-Totalausfällen führen können, bei der erfindungsgemäßen schaltbaren Steckdose nicht mehr auftreten. Die Schutzschaltung arbeitet dabei unabhängig vom Grad der Kontaktverschmutzung, unabhängig von der Dauer einer kurzzeitigen Überlastung, unabhängig von der Nominallast und unabhängig von der jeweiligen Umgebungstemperatur.
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Dies spart vorteilhaft Materialkosten und lässt eine kleinere und damit designmäßig und funktionell günstigere Gehäuseabmessung zu. Zugleich ist es eine Möglichkeit, das Problem zuverlässig und sicher zu lösen.
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Die Schutzschaltung selbst kann idealerweise ohne zusätzliche Bauteile aufgebaut werden. Dann steht die Schutzfunktion ohne zusätzliche Kosten zur Verfügung. Vorzugsweise wird für die Steuervorrichtung eine ohnehin vorhandene Steuervorrichtung zum Ansteuern der Schalteinrichtung verwendet und wird für die Temperaturerfassungseinrichtung ein ohnehin in einer solchen Steuervorrichtung vorhandener Temperatursensor verwendet.
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Die Konstruktion der Erfindung erlaubt es, formschöne, kleine und kostengünstige Funktionsstecker in Verbindung mit Geräten zu betreiben, welche nur zeitweise, aber nicht dauerhaft einen Strom über dem Nennstrom verlangen.
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Die schaltbare Steckdose enthält vorzugsweise genau eine versorgungsseitige Anschlusseinrichtung zum Anschließen der Steckdose beispielsweise an eine Netzsteckdose. Die versorgungsseitige Anschlusseinrichtung weist wenigstens ein erstes Anschlusselement vorzugsweise in der Form eines Kontaktstiftes auf. Vorzugsweise enthält die versorgungsseitige Anschlusseinrichtung zwei erste Anschlusselemente.
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Die schaltbare Steckdose enthält wenigstens eine verbraucherseitige Anschlusseinrichtung zum Anschließen von beispielsweise Laststeckern (d. h. Anschlusssteckern von Lasten bzw. Verbrauchern) an die schaltbare Steckdose. Es kann genau eine verbraucherseitige Anschlusseinrichtung vorgesehen sein, es können aber auch zwei, drei, vier oder mehr verbraucherseitige Anschlusseinrichtungen vorgesehen sein. Im Fall von wenigstens zwei verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen sind diese vorzugsweise parallel geschaltet. Die verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen weisen jeweils wenigstens ein zweites Anschlusselement vorzugsweise in der Form eines Buchsenkontaktes auf.
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Vorzugsweise enthält jede verbraucherseitige Anschlusseinrichtung zwei zweite Anschlusselemente.
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Die schaltbare Steckdose enthält wenigstens eine elektrische Leitung. Vorzugsweise enthält die schaltbare Steckdose mehrere elektrische Leitungen, vorzugsweise für jedes zweite Anschlusselement der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtung(en) eine elektrische Leitung, welche dieses zweite Anschlusselement mit einem ersten Anschlusselement der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung verbindet. Die elektrische Leitung ist in diesem Zusammenhang eine durchgehende elektrische Leitung oder weist mehrere miteinander verbundene oder verbindbare Leitungsabschnitte auf.
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Die schaltbare Steckdose enthält wenigstens eine Schalteinrichtung. Im Rahmen der Erfindung weist sie vorzugsweise für jedes zweite Anschlusselement der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtung(en) eine Schalteinrichtung, jeweils für ein zweites Anschlusselement der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtung(en) eine Schalteinrichtung, für jedes erste Anschlusselement der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung eine Schalteinrichtung oder für ein erstes Anschlusselement der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung eine Schalteinrichtung auf. Die Schalteinrichtung ist ausgebildet und angeordnet, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement wahlweise zu trennen oder herzustellen. Vorzugsweise ist die Schalteinrichtung in einer entsprechenden elektrischen Leitung angeordnet. Die wenigstens eine Schalteinrichtung ist vorzugsweise in der Art eines einfachen Schalters oder eines Relais aufgebaut.
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Die wenigstens eine Schalteinrichtung ist vorzugsweise mit einer Steuervorrichtung zum Ansteuern der Schalteinrichtung gekoppelt. Diese Steuervorrichtung ist vorzugsweise mit einer manuell betätigbaren Bedienvorrichtung an der Steckdose oder mit einer Fernbedienung (z. B. per Funk) verbunden.
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Die schaltbare Steckdose enthält wenigstens eine Temperaturerfassungseinrichtung, d. h. genau eine oder mehrere Temperaturerfassungseinrichtungen. Eine Temperaturerfassungseinrichtung enthält vorzugsweise einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur.
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Diese wenigstens eine Temperaturerfassungseinrichtung ist mit einer Steuervorrichtung verbunden, welche die wenigstens eine Schalteinrichtung in Abhängigkeit von dem erfassten Temperaturwert ansteuert. Bei dieser Steuervorrichtung handelt es sich vorzugsweise um die gleiche Steuervorrichtung, die zum bedienungsabhängigen Ansteuern der Schalteinrichtung(en) verwendet wird; es können aber auch separate Steuervorrichtungen vorgesehen sein. Die temperaturabhängige Steuerung der Schalteinrichtung ist der bedienungsabhängigen Steuerung der Schalteinrichtung vorzugsweise übergeordnet, sodass die Überhitzungsschutzfunktion der schaltbaren Steckdose durch den Benutzer nicht übergangen werden kann.
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Die Temperaturerfassungseinrichtung ist mit der Steuervorrichtung vorzugsweise über eine Signalleitung verbunden oder in diese integriert. Die Steuervorrichtung wiederum ist mit der Schalteinrichtung vorzugsweise über eine Steuerleitung verbunden.
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Der Energieversorgung der Temperaturerfassungseinrichtung(en), der Steuervorrichtung und der Schalteinrichtung(en) erfolgt vorzugsweise über die versorgungsseitige Anschlusseinrichtung, wenn die schaltbare Steckdose über diese an eine Energieversorgung, zum Beispiel ein Stromnetz, angeschlossen ist.
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Die schaltbare Steckdose der Erfindung kann in eine herkömmliche Steckdose intergiert sein oder als Adapter ausgebildet sein, der in eine herkömmliche Steckdose einsteckbar ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Temperatursensor angeordnet, um eine Temperatur im Bereich einer verbraucherseitigen Anschlusseinrichtung und/oder der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung zu erfassen. Besonders bevorzugt ist der wenigstens eine Temperatursensor im Bereich eines zweiten Anschlusselements oder in thermisch leitendem Kontakt zu diesem und/oder im Bereich eines ersten Anschlusselements oder in thermisch leitendem Kontakt zu diesem angeordnet. Die ersten und zweiten Anschlusselemente der Anschlusseinrichtungen der schaltbaren Steckdose sind am schwierigsten zu schützen bzw. zu beeinflussen, sodass eine durch die dort auftretenden Übergangswiderstände verursachte Temperaturerhöhung herstellerseitig kaum vorhersagbar oder zu berücksichtigen ist. Eine Temperaturüberwachung an dieser Stelle der schaltbaren Steckdose ist deshalb für den Überhitzungsschutz besonders vorteilhaft. Selbstverständlich können zusätzlich oder alternativ auch Temperaturerfassungseinrichtungen an anderen Stellen der schaltbaren Steckdose vorgesehen sein.
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Vorzugsweise steuert die Steuervorrichtung die Schalteinrichtung zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement an, wenn der von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperaturwert oberhalb eines ersten Schwellenwertes liegt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steuert die Steuervorrichtung die Schalteinrichtung nur dann zum (Wieder)Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement an, wenn der von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasste Temperaturwert unterhalb eines zweiten Schwellenwertes liegt. Dieser zweite Schwellenwert ist vorzugsweise niedriger gewählt als der oben genannte erste Schwellenwert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steuert die Steuervorrichtung die Schalteinrichtung nach einem temperaturgesteuerten Trennen der elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement nur dann zum (Wieder)Herstellen dieser elektrischen Verbindung an, wenn die schaltbare Steckdose mindestens eine vorbestimmte Zeitdauer vom Netz getrennt gewesen ist. Diese vorbestimme Zeitdauer ist vorzugsweise so gewählt, dass sie zu einem ausreichenden Abkühlen der schaltbaren Steckdose nach der festgestellten Überhitzung ausreicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steuert die Steuervorrichtung die Schalteinrichtung nach einem temperaturgesteuerten Trennen der elektrischen Verbindung zwischen einem ersten Anschlusselement und einem zweiten Anschlusselement nur dann zum (Wieder)Herstellen dieser elektrischen Verbindung an, wenn die Steuervorrichtung einen erneuten Einschaltbefehl erhalten hat.
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In einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei verbraucherseitige Anschlusseinrichtungen mit jeweils wenigstens einem zweiten Anschlusselement vorgesehen. Die schaltbare Steckdose kann dann auch als „Steckdosenleiste” bezeichnet werden, auch wenn die Anordnung der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen grundsätzlich beliebig ist, d. h. sie nicht notwendigerweise in einer Reihe angeordnet sein müssen. Die verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen sind – unabhängig von ihrer räumlichen Anordnung – vorzugsweise parallel geschaltet.
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Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist vorzugsweise entweder für jede der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen eine Schalteinrichtung vorgesehen oder ist für alle verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen eine gemeinsame Schalteinrichtung vorgesehen.
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Ferner ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise jeder der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen eine Temperaturerfassungseinrichtung zugeordnet. Es können dann vorzugsweise alle elektrischen Verbindungen der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen getrennt werden, wenn eine der Temperaturerfassungseinrichtungen einen zu hohen Temperaturwert erfasst. Alternativ kann auch nur die verbraucherseitige Anschlusseinrichtung von der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung durch die entsprechende Schalteinrichtung getrennt werden, deren Temperaturerfassungseinrichtung einen zu hohen Temperaturwert erfasst.
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Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer schaltbaren Steckdose gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einer Netzsteckdose und einem Laststecker;
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2 eine schematische Darstellung einer schaltbaren Steckdosenleiste gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und
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3 eine schematische Darstellung einer schaltbaren Steckdosenleiste gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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1 zeigt schematisch Aufbau und Wirkungsweise einer schaltbaren Steckdose gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ein elektrischer Verbraucher 1 ist durch ein Gerätekabel (Netzzuleitung) 2 und den am Ende dieses Kabels 2 angebrachten Gerätestecker 3 über die schaltbare Steckdose (auch als „Funktionsstecker” bezeichnet) 4 und eine „normale” Steckdose 5 mit dem Stromnetz 6 verbunden.
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Innerhalb des Funktionssteckers 4 fließt der Strom dabei von einem ersten Steckerstift 7 des Gerätesteckers 3 und einen Buchsenkontakt (zweites Anschlusselement) 8 einer verbraucherseitigen Anschlusseinrichtung des Funktionssteckers 4 über eine metallische Zuleitung (elektrische Leitung) 9 zu einem Relaisanschluss 10. Der Funktionsstecker 4 enthält mindestens einen schaltbaren Kontakt (Schalteinrichtung) 11, der es erlaubt, den Verbraucher 1 EIN oder AUS zu schalten.
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Von dem eingeschalteten Kontakt 11 fließt der Strom weiter über einen zweiten Relaisanschluss 12 über eine metallische Leitung oder Leiterbahn (elektrische Leitung) 13 einer Leiterplatte 23 zu einem Kontaktstift (erstes Anschlusselement) 14 einer versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung des Funktionssteckers 4 zum Buchsenkontakt 15 der Steckdose 5. Dieser Buchsenkontakt 15 ist über einen Leiter 16 mit dem elektrischen Versorgungsnetz 6 verbunden.
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Der Rückweg des Stromkreislaufes führt in Analogie hierzu über die Zuleitung 17, den Buchsenkontakt 18 und den Kontaktstift (erstes Anschlusselement) 19 vom Versorgungsnetz zu einem elektrischen Leiter 20 des Funktionssteckers 4. Dieser elektrische Leiter 20 ist entweder direkt durchgeschleift zum Buchsenkontakt (zweites Anschlusselement) 21 der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtung des Funktionssteckers 4 oder über die Leiterplatte 23 oder eine andere Zuleitung über weitere elektrische Bauteile, wie z. B. eine Sicherung oder einen Messwiderstand, zum Buchsenkontakt 21 geführt. Von dort fließt der Strom weiter über einen Kontaktstift 22 des Gerätesteckers 3 und das Gerätekabel 2 zum Verbraucher 1.
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Durch den Laststrom wird in nicht vernachlässigbarer Menge Wärme erzeugt. Hierfür sind einerseits die Leiterwiderstände, andererseits die Kontakt-Übergangswiderstände verantwortlich. Die Widerstandswerte, die die elektrischen Leiter 9, 10, 12, 13 und 20 sowie die metallischen Leiter der Anschlusselemente (Kontaktstifte, Buchsenkontakte) 7, 8, 11, 14, 15, 18, 19, 21 und 22 besitzen, sind bis auf den geringen Faktor der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Leitwertes konstant. Daher ist ihr Wärmeeintrag bei einer gegebenen Maximalstrombelastung leicht und reproduzierbar berechenbar.
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Der Widerstandswert der Übergangsfläche zwischen dem Schaltkontakt 11 und seinem Kontaktpartner 10 ist im Lieferzustand bekannt, kann sich jedoch durch Erosion des Schaltkontaktes 11 durch den Laststrom erheblich verändern. Er liefert daher einen variablen Wärmeeintrag, dessen Grenzwerte jedoch weitestgehend bekannt und daher auch abschätzbar sind.
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Hingegen sind die Übergangswiderstände zwischen den gefederten Berührungsflächen zwischen den Kontaktstiften und Buchsenleisten der Paarungen 7/8, 14/15, 18/19 und 21/22 einerseits abhängig vom Oberflächenmaterial und andererseits von der Oberflächenbeschaffenheit der Übergangsflächen. Dabei kann vor allem die Oberflächenbeschaffenheit durch Umwelteinflüsse wie Oxidation und Verschmutzung sehr stark schwanken. Zudem beeinflusst die Federkraft der Buchsenkontakte sowie die absolute Berührungsfläche den Übergangswiderstand. Insgesamt leisten die vier Kontaktflächen den größten variablen Beitrag zum Übergangswiderstand und der dadurch bewirkten Systemerwärmung.
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In der Nähe bzw. in thermischer Kopplung zu besagten Kontaktstellen befindet sich daher ein Temperatursensor 24. Dieser ist durch eine Signalleitung 25 mit einer Steuervorrichtung (Auswerteschaltung) 26, vorzugsweise einem Mikroprozessor, verbunden. Wenn die Auswerteschaltung nun erkennt, dass der Temperatursensor eine Grenztemperatur (erster Schwellenwert) S1 überschreitet, schaltet er mittels einer Steuerleitung 27 den Schaltkontakt 11 in die AUS-Position und unterbricht hierdurch den elektrischen Strom. Dadurch kommt es zur Abkühlung des Systems.
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Die weitere Reaktionsweise der Sicherheitsschaltung kann durch die Steuervorrichtung 26 frei bestimmt werden. Vorzugsweise kommen zwei Reaktionsweisen in Betracht, andere sind aber ebenso denkbar:
- a) Die Steuervorrichtung 26 schaltet den Schaltkontakt 11 und damit die Steckdose 4 und den Verbraucher 1 wieder ein, wenn der Temperatursensor 24 einen Abfall der Temperatur um einen vorbestimmten Wert erfasst hat.
- b) Die Steuervorrichtung 26 schaltet die Steckdose 4 und den Verbraucher 1 erst wieder ein, wenn der Benutzer in irgendeiner Art und Weise reagiert hat. Zum Beispiel kann es erforderlich sein, dass erneut ein Einschaltsignal gesendet wird oder der Funktionsstecker 4 kurzzeitig vom Stromnetz 6 entfernt und dann erneut eingeschaltet wird.
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Auf diese Art und Weise wird auch bei wiederholter Überlastung eine gefährdende oder gar unzulässig starke Überhitzung der schaltbaren Steckdose 4 zuverlässig vermieden. Je enger der thermische Kontakt zu den besagten Wärmequellen, umso genauer funktioniert die Schaltung. Die Praxis zeigt jedoch, dass hier große Toleranzen zulässig sind, solange eine Korrelation zwischen der Temperatur der Anschlusselemente und dem Messwert des Temperatursensors 24 besteht, die ein Mikroprozessor intelligent auswerten kann.
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Die besagte Schaltung selbst kann idealerweise ohne zusätzliche Bauteile aufgebaut werden. Dies ist dann der Fall, wenn die Ansteuerung der Schalteinrichtung 11 ohnehin durch einen Mikrocontroller geschieht, der die Funktion der Auswerteschaltung 26 übernimmt, und wenn der Temperatursensor 24 als Bauteil in den Mikrocontroller integriert ist, oder wenn der Temperatursensor in eine andere ohnehin vorhandene Schaltung, beispielsweise einen Leistungsmessbaustein, integriert ist, welcher mit dem Mikrocontroller über eine Signalleitung verbunden ist. Dann steht die Schutzfunktion ohne zusätzliche Kosten zur Verfügung.
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Die 2 und 3 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele einer schaltbaren Steckdose für den Fall, dass mehrere verbraucherseitige Anschlusseinrichtungen vorhanden sind. Die schaltbaren Steckdosen können in diesem Fall auch als „Steckdosenleisten” bezeichnet werden.
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Die schaltbare Steckdosenleiste 4 weist jeweils eine versorgungsseitige Anschlusseinrichtung mit zwei Kontaktstiften (erste Anschlusselemente) 14, 19 und vier verbraucherseitige Anschlusseinrichtungen mit jeweils zwei Buchsenkontakten (zweiten Anschlusselementen) 8a..d, 21a..d auf. Anzahl und räumliche Anordnung dieser verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen sind grundsätzlich beliebig wählbar.
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Die verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen sind parallel zueinander geschaltet, sodass gleichzeitig mehrere Verbraucher an die Steckdosenleiste 4 angeschlossen und mit Strom versorgt werden können.
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In den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 ist jeder verbraucherseitigen Anschlusseinrichtung ein Temperatursensor 24a..d zugeordnet, d. h. im Bereich dieser Anschlusseinrichtungen angeordnet. Die Temperatursensoren 24a..d sind mit einer gemeinsamen Steuervorrichtung 26 gekoppelt.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 ist nur eine Schalteinrichtung 11 vorgesehen, welche in der gemeinsamen elektrischen Zuleitung 13 des einen Kontaktstiftes 14 der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung zu den Buchsenkontakten 8a..d der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen angeordnet ist. Mit dieser einen Schalteinrichtung 11 können so alle verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen gleichzeitig mit der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung und damit dem Versorgungsnetz verbunden oder bei Bedarf von diesem getrennt werden.
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Die Steuervorrichtung 26 steuert die eine Schalteinrichtung 11 vorzugsweise so an, dass sie die Schalteinrichtung 11 öffnet und damit die elektrische Verbindung trennt, wenn der Temperaturwert eines der Temperatursensoren 24a..d einen vorgegebenen Schwellenwert S1 übersteigt.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist hingegen für jede verbraucherseitige Anschlusseinrichtung eine eigene Schalteinrichtung 11a..d vorgesehen, welche in der elektrischen Zuleitungszweigen von der gemeinsamen Zuleitung 13 des einen Kontaktstiftes 14 der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung zu den Buchsenkontakten 8a..d der verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen angeordnet sind. Mit diesen Schalteinrichtungen 11 können die verbraucherseitigen Anschlusseinrichtungen unabhängig voneinander mit der versorgungsseitigen Anschlusseinrichtung und damit dem Versorgungsnetz verbunden oder bei Bedarf von diesem getrennt werden.
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Die Steuervorrichtung 26 steuert die Schalteinrichtungen 11a..d vorzugsweise so an, dass sie nur die jeweilige Schalteinrichtung 11a..d öffnet und damit die elektrische Verbindung trennt, wenn der Temperaturwert des zugehörigen Temperatursensors 24a..d einen vorgegebenen Schwellenwert S1 übersteigt. Die übrigen Schalteinrichtungen 11a..d können geschlossen bleiben.
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Die übrigen Merkmale und Funktionsweisen der schaltbaren Steckdosenleisten 4 der 2 und 3 entsprechen jenen des Ausführungsbeispiels von 1.
