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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Schutzschalter zur Trennung hoher Ströme, insbesondere für einen Einsatz in HV-Schaltungen von Kraftfahrzeugen.
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Stand der Technik
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Schutzschalter werden auch als Relais oder Schütz bezeichnet. Die grundsätzliche Funktion von derartigen Schutzschaltern besteht darin, mit Hilfe eines vergleichsweise kleinen Stromes, einem Steuerstrom, hohe elektrische Leistungen in einem Laststromkreis zu schalten.
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In Schutzschaltern können beim Schalten der hohen Leistungen zwischen den Schalterkontakten Lichtbögen entstehen, die zu einem Verschleiß der Schalterkontakte führen. Diese Schalterkontakte sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schutzschaltern zum Beispiel aus Kupfer oder Silber.
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Durch die auftretenden Lichtbögen kann es an den Kontakten des Schutzschalters zu einem Verschmelzen der Kontaktpaare kommen, so dass sich diese nicht mehr trennen lassen. Dieser Zustand wird in Fachkreisen auch als Kontakt- oder Schützkleber bezeichnet.
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Hierbei stellt insbesondere der Zustand, dass nur ein Kontaktpaar einer Kontaktbrücke des Schutzschalters verklebt ist, einen kritischen Zustand dar. Dies nennt man auch einseitigen Schützkleber. So ist mit der üblichen Auswertung von Last- und Steuerstrom der Zustand des einseitigen Schützklebers nicht detektierbar, da durch die Trennung des zweiten Kontaktpaares kein Laststrom fließt. Jedoch ist der Abstand zwischen den Kontaktpaaren deutlich verringert im Vergleich zu der Beabstandung durch ein ordnungsgemäßes Trennen beider Kontaktpaare. Durch den verringerten Abstand der Kontaktpaare können kurzzeitige Überspannungen im Leitungssystem dazu führen, dass der Schutzschalter Strom leitet. Besondere Gefahr besteht hierbei beispielsweise bei Wartungsarbeiten, da Personal an Leitungsabschnitten arbeitet, welche durch den Schutzschalter spannungsfrei geschaltet werden müssen. Eine Fehlfunktion des Schutzschalters könnte dabei zu gefährlichen Situationen führen.
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Aus
DE 195 32 196 ist ein Verfahren bekannt, welches eine Elektrodenanordnung für die Zustandserkennung eines Schutzschalters nutzt, indem Phasenverschiebungen zwischen Eingangs- und Ausgangssignal der Elektrodenanordnungen ausgewertet werden. Bei einer solchen Ausführungsform ist jedoch mit erhöhten Kosten zu rechnen, da zusätzlicher Aufwand für die korrekte Beschaltung und Auswertung zu betreiben ist. Diese Anordnung ist anfällig gegenüber einkoppelnden Störgrößen. Diese Anfälligkeit ist ebenfalls nur mit erhöhtem Aufwand und zusätzlichen Kosten zu beseitigen.
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Aus
DE 10 2006 009 228 A1 ist ein Leistungsschutzschalter bekannt, der einen Mikroschalter als Fehlersignalschalter aufweist. Dieser Mikroschalter wird über das Schließen eines Nebenstromkreises bei einem Auslösen des Leistungsschutzschalters betätigt. Hierbei wird jedoch nur der Zustand EIN/AUS vom Leistungsschutzschalter detektiert. So wird nicht der Kontaktzustand des Leistungsschutzschalters ausgewertet und der Leistungsschutzschalter nicht auf einen Defekt geprüft, sondern lediglich eine Betätigung des Leistungsschutzschalters als Fehlerfall detektiert.
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Aus
DE 10 2012 213 159 A1 ist eine Diagnosevorrichtung zur Zustandsdiagnose eines Schützes bekannt, bei welcher ein Überwachungsstromkreis parallel zum Schütz genutzt wird, um anhand des gemessenen Stromwertes oder des Verlaufes des Stromwertes über der Zeit einen Fehlzustand des Schützes zu bestimmen. Hierbei kann jedoch nur komplett verklebtes Schütz beim Zustand "Schütz offen" diagnostiziert werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektromechanischen Schutzschalter derart weiter zu entwickeln, dass eine kostengünstige Kontaktzustandserkennung eines Schutzschalters möglich ist und auch ein einseitiges Verkleben von Kontakten detektierbar ist.
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Die Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Schutzschalter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Der erfindungsgemäße Schutzschalter umfasst mindestens zwei Kontaktpaare, wobei jeweils ein Kontakt der Kontaktpaare auf einer gemeinsamen Kontaktbrücke voneinander räumlich getrennt angeordnet ist. Des Weiteren beinhaltet der Schutzschalter einen Anker, der mit der Kontaktbrücke verbunden ist und entlang eines Verfahrweges beweglich ist. Darüber hinaus ist ein Mikroschalter vorgesehen, der nahe dem Anker oder der Kontaktbrücke angeordnet ist. Dieser Mikroschalter ist derartig zum Anker beziehungsweise zur Kontaktbrücke beabstandet, dass bei einem Absenken des Ankers beziehungsweise der Kontaktbrücke um den Verfahrweg der Mikroschalter betätigt wird.
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Über eine Strommesseinrichtung kann ein Stromfluss über die Kontaktpaare des Schutzschalters gemessen werden. Eine Auswerteeinrichtung ist sowohl mit dem Mikroschalter als auch der Strommesseinrichtung verbunden und kann so einen Defekt des Schutzschalters detektieren.
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So kann beispielsweise detektiert werden, ob ein einseitiger Schützkleber vorhanden ist, wenn von der Strommesseinrichtung kein Stromfluss gemessen wird und der Mikroschalter nicht betätigt ist. Bei einem korrekt geöffneten Schutzschalter müsste in diesem Fall der Mikroschalter betätigt sein. Bei einem korrekt geschlossenen Schutzschalter wären ein Stromfluss durch die Strommesseinrichtung und ein nicht betätigter Mikroschalter zu detektieren.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Detektion eines Defektes mittels eines preisgünstigen und wenig komplexen Mikroschalters realisiert werden kann. Auch für die Auswertung der Daten ist kein komplexer Auswertealgorithmus nötig, da vom Mikroschalter nur ein EIN/AUS-Signal zu verarbeiten ist.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass der Mikroschalter nur einen geringen Bauraum benötigt, so dass eine Zustandserkennung auch in Schutzschaltern mit geringen geometrischen Abmaßen möglich ist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Mikroschalter nicht anfällig gegen elektromagnetische Störeinstrahlungen ist und auch neben hochtaktenden Komponenten mit erhöhter elektromagnetischer Störausstrahlung eingesetzt werden kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine, durch ein Eingangssignal angesteuerte, Steuereinrichtung zur Ansteuerung und Bewegung des Ankers vorgesehen. Diese Steuereinrichtung kann beispielsweise einen Mikrocontroller beinhalten, welcher auch die Auswerteeinrichtung und weitere Funktionen umfassen kann und das Eingangssignal verarbeitet.
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Die Auswerteeinrichtung ist in der bevorzugten Ausführungsform mit der Steuereinrichtung verbunden und kann den Zustand eines Defektes des elektromechanischen Schutzschalters detektieren. Hierdurch kann beispielsweise unterschieden werden, ob ein von der Strommesseinrichtung des Schutzschalters gemessener Stromfluss über die Kontaktpaare mit dem Eingangssignal der Steuereinrichtung übereinstimmt oder nicht und gegebenenfalls ein Defekt detektiert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schutzschalter mindestens ein Federelement zum Vorspannen des Ankers entgegen einer geschlossenen Position der Kontaktpaare. Dies stellt eine preiswerte Methode dar, bei welcher der Rückstellmechanismus platzsparend in dem Schutzschalter integriert werden kann und keiner Ansteuerung von außen Bedarf. Hierdurch kann auch bei einem Ausfall von Elektrik- und/oder Elektronikkomponenten eine verlässliche Rückstellung und damit ein Abschalten des Laststromes gewährleistet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schutzschalter zum Schließen der Kontaktpaare eine Spule, die der Federkraft des Federelementes entgegenwirkt. Bei dieser Ausführung wird ein schnelles Schalten ermöglicht, wobei eine einfache Ansteuerung über den Stromfluss der Spule genutzt werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Nebenkontaktpaar vorgesehen. Das Nebenkontaktpaar ist auf einer der Kontaktbrücke parallel geschalteten Nebenkontaktbrücke angeordnet. Für die Bewegung der Nebenkontaktbrücke ist ein zweiter Anker und ggf. ein zweiter Mikroschalter nahe der Nebenkontaktbrücke oder des zweiten Ankers vorgesehen. Ist die Auswerteeinrichtung mit dem zweiten Mikroschalter verbunden, kann auch ein einseitiger Schützkleber am Nebenkontaktpaar detektiert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steuert die Steuereinrichtung den ersten Anker und den zweiten Anker derart an, dass die Kontaktpaare vor dem Nebenkontaktpaar geschlossen und nach dem Nebenkontaktpaar geöffnet werden. Hierbei können Kontaktpaare mit höherem Schmelzpunkt verwendet werden, welche durch das spätere Öffnen zwar stärker belastet werden, jedoch weniger abnutzen.
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Durch das spätere Öffnen und frühere Schließen der Kontaktpaare bildet sich beim Auftreten eines Lichtbogens dieser über die Kontaktpaare mit höherem Schmelzpunkt aus und nicht über das Nebenkontaktpaar.
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Hierdurch kann für das Nebenkontaktpaar ein besser leitendes Material mit niedrigerem Schmelzpunkt gewählt werden, wodurch sich der Widerstand im leitenden Zustand verringert und die Standzeiten verlängert werden können, bei gleichzeitig geringeren Leistungsverlusten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein erstes und zweites Federelement zum Vorspannen des ersten bzw. zweiten Ankers genutzt, wobei das erste Federelement eine größere Federkraft als das zweite Federelement aufweist. Durch die Wahl der unterschiedlichen Federkräfte kann das Öffnen und Schließen der Kontaktpaare und des Nebenkontaktes in der gewünschten Reihenfolge mit wenig Aufwand realisiert werden. Bei der Realisierung mit Federelementen kann der Rückstellmechanismus für den ersten und zweiten Anker platzsparend in dem Schutzschalter integriert werden und bedarf keiner Ansteuerung von außen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Material oder die Beschichtung der Kontaktpaare mit dem höheren Schmelzpunkt Wolfram. Das Material oder die Beschichtung der Nebenkontakte mit der höheren elektrischen Leitfähigkeit als das Material der Kontaktpaare ist Silber. Die Verwendung von Silber hat den Vorteil, dass der Kontaktübergangswiderstand im Schutzschalter reduziert wird. Die Verwendung von Wolfram als Kontaktmaterial für die Kontaktpaare hat den Vorteil, dass Wolfram aufgrund seines hohen Schmelzpunktes hohe Stromlasten aufnehmen kann und dadurch als eine sogenannte Opferschicht in Frage kommt, um diese hohen Lasten zu schalten.
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Die mit Wolfram ausgebildeten Kontaktpaare weisen eine geringere elektrische Leitfähigkeit und damit einen höheren Übergangswiderstand auf, als die mit Silber versehenen Nebenkontakte. Dafür sind die Kontaktpaare robuster und widerstandsfähiger gegenüber Lichtbögen und werden somit bei der Ausbildung von Lichtbögen weniger geschädigt als die Nebenkontakte. Damit die anfälligeren Nebenkontakte durch die Lichtbögen weniger beschädigt werden, werden die Kontaktpaare vor den Nebenkontakten geschlossen und nach den Nebenkontakten geöffnet. Dadurch werden die Lebensdauer des Schutzschalters und die Anzahl der möglichen Schaltzyklen des Schutzschalters bei geringem Übergangswiderstand erhöht.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Abbildung des erfindungsgemäßen Schutzschalters in einer geschlossenen Stellung der Kontaktpaare;
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2 eine schematische Abbildung des erfindungsgemäßen Schutzschalters in einer geöffneten Stellung der Kontaktpaare;
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3 eine schematische Abbildung des erfindungsgemäßen Schutzschalters mit einseitigem Schützkleber;
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4 eine schematische Abbildung des erfindungsgemäßen Schutzschalters mit beidseitigem Schützkleber;
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5 eine schematische Abbildung des erfindungsgemäßen Schutzschalters mit zweiter Kontaktbrücke in halboffenem Zustand.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen elektromechanischen Schutzschalter 100 mit Kontaktpaaren 1, 1' und 2, 2', wobei jeweils ein Kontakt 1, 2 pro Kontaktpaar 1, 1' und 2, 2' auf einer Kontaktbrücke 3 angeordnet ist. Die Kontaktpaare 1, 1' und 2, 2' sind in 1 in einer geschlossenen Position. 1 zeigt ebenfalls, dass der Schutzschalter 100 einen weiteren Kontakt 1' des Kontaktpaares 1, 1', beziehungsweise 2' des Kontaktpaares 2, 2' auf unterschiedlichen Kontaktpolen 70 aufweist. Desweiteren umfasst der Schutzschalter 100 einen Anker 10. Unter dem Anker 10 und um einen Verfahrweg A vom Anker 10 beabstandet ist ein Mikroschalter 40 angeordnet. Eine alternative Platzierung des Mikroschalters 40 ist unter der Kontaktbrücke 3 möglich. Der unter dem Anker 10, beziehungsweise der Kontaktbrücke 3, angebrachte Mikroschalter 40 ist in 1 nicht betätigt.
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Der Schutzschalter 100 umfasst darüber hinaus eine Strommesseinrichtung 20 und eine Auswerteeinrichtung 50. Die Auswerteeinrichtung 50 ist mit dem Mikroschalter 40 und der Strommesseinrichtung 20 verbunden. Hierdurch kann ein Defekt des Schutzschalters 100 von der Auswerteeinrichtung 50 detektiert werden, indem bei nicht betätigtem Mikroschalter 40 und fehlendem Laststrom ein einseitiger Kontaktkleber erkannt wird.
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In 2 ist über die bereits genannten Komponenten hinaus eine Steuereinrichtung 60 dargestellt, welche sich mit der Auswerteeinrichtung 50 auf einem Mikrocontroller 80 befindet. Die Steuereinrichtung 60 ist wiederum mit einer Spule 35 verbunden. Die Spule 35 ist in 2 nicht bestromt. Im Falle einer Betätigung der Spule 35 bringt die Spule 35 den Anker 10 mit Kontaktbrücke 3 und Kontakten 1 und 2 in die in 1 dargestellte geschlossene Position. Die Spule 35 wird hierzu von Strom durchflossen und bringt den Anker 10 in die geschlossene Position, wobei ein Verfahrweg A zurückgelegt wird. Der Mikroschalter 40 wird in 2 durch den Anker 10 betätigt.
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Das eingezeichnete Federelement 21 wird in der angehobenen Position von 1 gespannt und wirkt der Kraft der angesteuerten, bestromten Spule 35 entgegen. Wird die Spule 35 nicht mehr von Strom durchflossen, wird der Anker 10 in die entspannte Position gemäß 2 gebracht. Für die Rückstellung des Ankers 10 von 1 zu 2 sorgt die Federkraft des gespannten Federelementes 21. Durch die Absenkung des Ankers 10 um den Verfahrweg A wird der Mikroschalter 40 in 2 betätigt.
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In der 3 ist der Fehlerfall eines einseitigen Schützklebers an dem Kontaktpaar 1, 1' dargestellt. Hierdurch kann sich der Anker 10 trotz der Federkraft des Federelementes 21 nicht komplett absenken, sondern nur das Kontaktpaar 2, 2' wird getrennt. Da hierbei die Strommesseinrichtung 20 keinen Stromfluss detektiert und der Mikroschalter 40 nicht betätigt wird, wird von der Auswerteeinrichtung 50 ein Defekt erkannt. Gleiches gilt für einen einseitigen Schützkleber am Kontaktpaar 2, 2'.
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In der 4 ist der Fehlerfall eines zweiseitigen Schützklebers an den Kontaktpaaren 1, 1' und 2, 2' dargestellt. Bei zweiseitigem Schützkleber kann sich der Anker 10, beziehungsweise die Kontaktbrücke 3, auch ohne dass die Spule 35 der Federkraft entgegenwirkt, nicht absenken und der Mikroschalter 40 nicht betätigt werden. Da der Schützkleber jedoch auf beiden Kontaktpaaren 1, 1' und 2, 2' ausgebildet ist, findet ein Stromfluss statt und die Strommesseinrichtung 20 misst diesen Stromfluss.
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Die Steuereinrichtung 60 stellt jedoch kein entsprechendes Eingangssignal ea zur Ansteuerung der Spule 35 fest. Anhand dieser Kombination an Signalen kann die Auswerteeinrichtung 50 einen zweiseitigen Schützkleber detektieren.
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In der 5 ist eine Anordnung mit einem zweiten Anker 15 und einem Nebenkontaktpaar 4, 4' dargestellt. Hierbei ist der halboffene Zustand beim Öffnen, beziehungsweise Schließen zu sehen. Das Nebenkontaktpaar 4, 4' wird vor den Kontaktpaaren 1, 1' und 2, 2' getrennt und erst nach den beiden Kontaktpaaren 1, 1' und 2, 2' wieder geschlossen.
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Dabei werden die beiden Anker 10, 15 durch das erste Federelement 21 nach unten gedrückt. Das erste Federelement 21 weist dazu eine größere Federkraft auf als ein zweites Federelement 22. Das den ersten Anker 10 umgebende erste Federelement 21 wirkt also auch auf den zweiten Anker 15.
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Da der erste Anker 10 zur Bewegung der Kontaktbrücke 3 einen kürzeren Verfahrweg A zurücklegen muss als der zweite Anker 15 zur Bewegung der Nebenkontaktbrücke 5, der einen Verfahrweg B zurücklegt, werden zunächst die Kontakte der Kontaktpaare 1, 1' und 2, 2' geschlossen, beziehungsweise als letztes geöffnet, wie dies in 5 dargestellt ist. Wenn sich ein Lichtbogen ausbildet, dann nur über die zuerst schließenden, beziehungsweise zuletzt öffnenden Kontaktpaare 1, 1' und 2, 2' mit vorzugsweise Wolframbeschichtung. Wolfram besitzt einen Schmelzpunkt von ca. 3422 Grad Celsius und ist damit gegen das Aufschmelzen der Kontakte beständiger als eine Vielzahl anderer Materialien. Mögliche Lichtbögen führen damit nicht sofort zu einer funktionskritischen Beschädigung der Kontaktpaare 1, 1' und 2, 2'.
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Nach dem Schließen der Kontaktpaare 1, 1' und 2, 2' wird auch das Nebenkontaktpaar 4, 4' geschlossen. Hierbei wirkt auf den zweiten Anker 15 weiterhin die Magnetkraft der Spule 35.
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Ein Strom durch den Schutzschalter 100 wird nach dem Schließen der Nebenkontakte 4, 4' den Weg des geringsten Widerstandes nehmen und über das Nebenkontaktpaar 4, 4' des einen Kontaktpols 70, das vorzugsweise mit Silber oder einer Silberlegierung beschichtet ist oder aus einem silberhaltigen Material besteht, zu dem Nebenkontaktpaar 4, 4' des anderen Kontaktpols 70 fließen.
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Silber hat einen Schmelzpunkt von ca. 962 Grad Celsius und damit einen deutlich geringeren, als das für die Kontaktpaare 1, 1' und 2, 2' gewählte Wolfram und ist damit empfindlicher. Silber hat jedoch eine wesentlich bessere elektrische Leitfähigkeit als Wolfram.
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Durch die Verwendung von Kontaktpaaren 1, 1' und 2, 2' und einem Nebenkontaktpaar 4, 4' werden zwei voneinander getrennte Kontaktbrücken gebildet, mit denen der Abbrand der Kontakte bei hohen Lastströmen bei der Trennung der Kontakte reduziert und der Übergangswiderstand des Schutzschalters 100 im geschlossenen Zustand minimiert wird, was auch eine Reduzierung der Leistungsverluste bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Verfahrweg
- B
- Verfahrweg
- ea
- Eingangssignal zur Ansteuerung
- 100
- Elektromechanischer Schutzschalter
- 1, 1'
- Kontaktpaar 1
- 1
- Kontakt 1 der Kontaktbrücke
- 1'
- Kontakt 1 des Kontaktpols
- 2, 2'
- Kontaktpaar 2
- 2
- Kontakt 2 der Kontaktbrücke
- 2'
- Kontakt 2 des Kontaktpols
- 3
- Kontaktbrücke
- 4, 4'
- Nebenkontaktpaar
- 4
- Nebenkontakt der Nebenkontaktbrücke
- 4'
- Nebenkontakt des Nebenkontaktpols
- 5
- Nebenkontaktbrücke
- 10
- Anker
- 20
- Strommesseinrichtung
- 21
- erstes Federelement
- 22
- zweites Federelement
- 35
- Spule
- 40
- Mikroschalter
- 41
- zweiter Mikroschalter
- 50
- Auswerteeinrichtung
- 60
- Steuereinrichtung
- 70
- Kontaktpol
- 80
- Mikrocontroller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19532196 [0006]
- DE 102006009228 A1 [0007]
- DE 102012213159 A1 [0008]
