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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für eine elektrische Schaltung, eine elektrische Schaltung und ein Verfahren zum Erkennen eines Öffnens eines Gehäuses einer elektrischen Schaltung und/oder eines Auftretens eines Lichtbogens in der elektrischen Schaltung.
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Stand der Technik
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Lichtbogen entstehen etwa bei hohen Spannungen beim Ausfall einzelner Bauteile, durch Spannungsüberschreibungen oder aufgrund von umher fliegenden Metallpartikeln. Insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen stellen Lichtbogen eine Gefahrenquelle dar, da sie zu Bränden und Stromschlägen führen können. Es ist daher wichtig, Lichtbogen frühzeitig zu erkennen. Ein Lichtbogenmelder ist beispielsweise aus der
DE 20 2005 011 504 U1 bekannt, wobei die elektromagnetischen Wellen, welche durch den Lichtbogen erzeugt werden, von einem Hochfrequenzempfänger empfangen und ausgewertet werden, so dass ein Lichtbogen erkannt werden kann.
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Weiter kann aufgrund der hohen Spannung eine Gefahr für einen Verbraucher entstehen, wenn dieser das Gehäuse des Hochspannungssystems öffnet und somit mit Stromleitungen in Verbindung kommen könnte.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Sicherheitsvorrichtung für eine elektrische Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine elektrische Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 und ein Verfahren zum Erkennen eines Öffnens eines Gehäuses einer elektrischen Schaltung und/oder eines Auftretens eines Lichtbogens in der elektrischen Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
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Die vorliegende Erfindung schafft demnach eine Sicherheitsvorrichtung für eine elektrische Schaltung, mit mindestens einer Lichtsensoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, bei einem Auftreffen von Licht auf die Lichtsensoreinrichtung ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben; und einer Erkennungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, anhand des von der mindestens einen Lichtsensoreinrichtung ausgegebenen elektrischen Signals zu erkennen, ob ein Gehäuse der elektrischen Schaltung geöffnet ist und/oder ein Lichtbogens auftritt, und, gegebenenfalls, ein entsprechendes Ausgabesignal auszugeben.
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Die vorliegende Erfindung schafft weiter eine elektrische Schaltung mit einer Sicherheitsvorrichtung.
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Die vorliegende Erfindung schafft schließlich ein Verfahren zum Erkennen eines Öffnens eines Gehäuses einer elektrischen Schaltung und/oder eines Auftretens eines Lichtbogens in der elektrischen Schaltung, mit dem Schritt: Erkennen, anhand eines von einer Lichtsensoreinrichtung bei einem Auftreffen von Licht auf die Lichtsensoreinrichtung ausgegebenen entsprechenden elektrischen Signals, ob das Gehäuse der elektrischen Schaltung geöffnet ist und/oder ob ein Lichtbogen auftritt.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Beim Auftreten eines Lichtbogens in der elektrischen Schaltung oder beim Öffnen eines Gehäuses der elektrischen Schaltung tritt Licht im Inneren der elektrischen Schaltung auf, welches von der Lichtsensoreinrichtung erkannt werden kann. Die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung ist daher dazu ausgelegt, sehr schnell den Lichtbogen oder das Öffnen des Gehäuses zu detektieren und ein Ausgabesignal auszugeben, wodurch Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können und somit Brände oder Stromschläge verhindert werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sicherheitsvorrichtung ist die Erkennungseinrichtung dazu ausgelegt, falls die Erkennungseinrichtung erkennt, dass ein Lichtbogens auftritt, anhand des von der mindestens einen Lichtsensoreinrichtung ausgegebenen elektrischen Signals ein durch den Lichtbogen geschmolzenes Material zu bestimmen. Je nach Art des geschmolzenen Materials weist das Licht ein bestimmtes Lichtspektrum auf, anhand dessen die Erkennungseinrichtung auf die Art des Materials, beispielsweise Aluminium oder Kupfer rückschließen kann. Anhand dieser Information kann die Erkennungseinrichtung insbesondere auswerten, an welcher Komponente der elektrischen Schaltung der Lichtbogen auftritt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sicherheitsvorrichtung ist die Erkennungseinrichtung dazu ausgelegt, falls die Erkennungseinrichtung erkennt, dass ein Lichtbogens auftritt, anhand des von der mindestens einen Lichtsensoreinrichtung ausgegebenen elektrischen Signals eine Stärke des Lichtbogens zu bestimmen. Je nach Stärke des Lichtbogens variiert das erfasste Spektrum. Insbesondere anhand einer Gesamtintensität kann die Erkennungseinrichtung somit eine Stärke des Lichtbogens erfassen. Je nach Stärke des Lichtbogens kann dann anhand des von der Erkennungseinrichtung ausgegebenen Ausgabesignals eine entsprechende Gegenmaßnahme eingeleitet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die elektrische Schaltung mindestens einen stromführenden Kontakt und ein Gehäuse, welches mindestens eine Lichtsensoreinrichtung der Sicherheitsvorrichtung und zumindest einen Teil des mindestens einen stromführenden Kontakts lichtdicht einhaust. Somit ist sichergestellt, dass die Lichtsensoreinrichtung nur dann ein elektrisches Signal ausgibt, wenn ein Lichtbogen auftritt oder das Gehäuse geöffnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die elektrische Schaltung eine Stromsteuereinrichtung, welche ausgebildet ist, einen Stromfluss durch zumindest eine stromleitende Komponente der elektrischen Schaltung anhand des von der Erkennungseinrichtung der Sicherheitsvorrichtung ausgegebenen Ausgabesignals zu steuern. Vorzugsweise kann die gesamte elektrische Schaltung von einer Stromzufuhr abgeschnitten werden, so dass eine Gefahr für den Verbraucher insbesondere durch Stromschlag verringert wird und die Brandgefahr minimiert wird. Insbesondere kann ein Lichtbogen gelöscht werden, bevor größere Schäden entstehen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die elektrische Schaltung eine Temperatursensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Temperatur in zumindest einem Teilvolumen der elektrischen Schaltung zu messen, und ein entsprechendes elektrisches Temperatursensorsignal auszugeben, wobei die Erkennungseinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand des von der mindestens einen Lichtsensoreinrichtung ausgegebenen elektrischen Signals und des von der Temperatursensoreinrichtung ausgegebenen elektrischen Temperatursensorsignals zu erkennen, ob ein Lichtbogens auftritt. Insbesondere kann somit zwischen einer Temperaturänderung und einer Lichtemission, insbesondere durch einen Lichtbogen oder beim Öffnen des Gehäuses unterschieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die elektrische Schaltung eine Steckverbindung, wobei die elektrische Schaltung über die Steckverbindung mit einem Stecker einer externen Vorrichtung stromleitend verbindbar ist; wobei eine erste Lichtsensoreinrichtung der mindestens einen Lichtsensoreinrichtung der Sicherheitsvorrichtung mit der Steckverbindung gekoppelt ist; und wobei die Erkennungseinrichtung dazu ausgelegt ist, anhand des von der ersten Lichtsensoreinrichtung ausgegebenen elektrischen Signals zu erkennen, ob die Steckverbindung von dem Stecker zumindest teilweise getrennt ist. Die erste Lichtsensoreinrichtung ist somit ausgebildet, zu erkennen, dass der Stecker von der Steckverbindung getrennt wird. Anhand des Ausgabesignals kann beispielsweise nach dem Abziehen des Steckers die elektrische Schaltung von der Stromversorgung getrennt werden oder ein Batterieschutz der elektrischen Schaltung geöffnet werden, so dass keine Hochspannung mehr anliegt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der elektrischen Schaltung ist auf die Steckverbindung von außen auftreffendes Licht über ein lichtleitendes Kabel auf die erste Lichtsensoreinrichtung leitbar, falls die Steckverbindung von dem Stecker zumindest teilweise getrennt ist. Über das lichtleitende Kabel wird somit beim Abziehen des Steckers Licht ins Innere der elektrischen Schaltung geleitet, so dass die erste Lichtsensoreinrichtung das Abziehen des Kabels erkennen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der elektrischen ist in verschiedenen voneinander lichtdicht getrennten Teilvolumen der elektrischen Schaltung jeweils mindestens eine Lichtsensoreinrichtung der Sicherheitsvorrichtung angeordnet, wobei die Erkennungseinrichtung der Sicherheitsvorrichtung dazu ausgelegt ist, anhand des von mindestens einer der Lichtsensoreinrichtungen ausgegebenen elektrischen Signals zu erkennen, in welchem der Teilvolumen ein Gehäuse der elektrischen Schaltung geöffnet ist und/oder ein Lichtbogens auftritt. Somit kann die Position des Lichtbogens oder die Stelle, an welcher das Gehäuse geöffnet ist, genauer lokalisiert werden. Insbesondere können somit auch lokale Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, etwa nur lokal stromleitende Komponenten vom Netz genommen werden, ohne die Funktionalität der gesamten elektrischen Schaltung zu beeinflussen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsansicht einer elektrischen Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Erkennen eines Öffnens eines Gebäudes einer elektrischen Schaltung und/oder eines Auftretens eines Lichtbogens in der elektrischen Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Des Weiteren können verschiedene Ausführungsformen, soweit nichts anderes angegeben ist, beliebig miteinander kombiniert werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Sicherheitsvorrichtung 100 für eine elektrische Schaltung 200. Die Sicherheitsvorrichtung 100 umfasst hierbei mindestens eine Lichtsensoreinrichtung 101 und eine Erkennungseinrichtung 102.
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Eine elektrische Schaltung 200 mit einer Sicherheitsvorrichtung 100 ist in 2 illustriert. Die elektrische Schaltung 200 umfasst hierbei ein erstes Teilvolumen 214a und ein zweites Teilvolumen 214b, wobei in dem zweiten Teilvolumen 214b eine erste stromleitende Komponente 202a und eine zweite stromleitende Komponente 202b angeordnet sind, welche insbesondere Stromschienen oder Elektroden sein können, an welchen Hochspannung angelegt sein kann. Zwischen der ersten stromleitenden Komponente 202a und der zweiten stromleitenden Komponenten 202b kann ein Lichtbogen 203 auftreten, wobei Licht 206 ausgesendet wird. Das erste Teilvolumen 214a ist von dem zweiten Teilvolumen 214b lichtdicht getrennt, so dass Licht nicht von dem ersten Teilvolumen 214a in das zweite Teilvolumen 214b gelangen kann und umgekehrt.
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In dem ersten Teilvolumen 214a befinden sich eine erste Lichtsensoreinrichtung 101a und eine zweite Lichtsensoreinrichtung 101b und in dem zweiten Teilvolumen 214b befindet sich eine dritte Lichtsensoreinrichtung 101c. Die Lichtsensoreinrichtungen 101a bis 101c sind hierbei mit einer Erkennungseinrichtung 102 gekoppelt.
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Die elektrische Schaltung 200 umfasst ein Gehäuse 201 mit einer Klappe 204, wodurch das Gehäuse 201 geöffnet und geschlossen werden kann. Das Gehäuse 201 ist lichtdicht, das heißt für Licht undurchlässig, so dass bei geschlossener Klappe 204 kein Licht von außen in das erste und zweite Teilvolumen 214a und 214b dringen kann.
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Weiter weist die elektrische Schaltung 200 eine Steckverbindung 208 auf. Eine externe Vorrichtung, beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine, eine Hochspannungsbatterie oder ein Hochspannungsklimakompressor, kann mit einem Stecker 209 der externen Vorrichtung 210 mit der Steckverbindung 208 stromleitend verbunden werden. Die Steckverbindung 208 kann beispielsweise als Drei-Phasennetz-Steckverbindung, als Signalstecker einer Leistungselektronik oder als Traktionsnetz-Steckverbindung ausgebildet sein.
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In dem zweiten Teilvolumen 214b der elektrischen Schaltung 200 ist weiter eine Temperatursensoreinrichtung 213 angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, eine Temperatur T in dem zweiten Teilvolumen 214b der elektrischen Schaltung 200 zu messen, und ein entsprechendes elektrisches Temperatursensorsignal auszugeben. Die Temperatursensoreinrichtung 213 ist mit der Erkennungseinrichtung 102 gekoppelt.
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Die Lichtsensoreinrichtungen 101a bis 101c umfassen lichtsensitive Elemente, so dass die Lichtsensoreinrichtungen 101a bis 101c dazu ausgelegt sind, bei einem Auftreffen von Licht auf die Lichtsensoreinrichtungen 101a bis 101c ein entsprechendes elektrisches Signal auszugeben. Das elektrische Signal kann vorzugsweise Informationen über eine Intensität oder ein Frequenzspektrum des aufgetroffenen Lichts umfassen.
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Die Erkennungseinrichtung 102 ist dazu ausgelegt, anhand des von der mindestens einen Lichtsensoreinrichtung 101a bis 101c ausgegebenen elektrischen Signals zu erkennen, ob das Gehäuse 201 der elektrischen Schaltung 200 geöffnet ist und/oder ein Lichtbogen 203 auftritt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Erkennungseinrichtung 102 dazu ausgelegt sein, sobald eine der Lichtsensoreinrichtungen 101a bis 101c ein elektrisches Signal ausgibt, ein Ausgabesignal auszugeben.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Erkennungseinrichtung 102 mit einer Stromsteuereinrichtung 212 gekoppelt sein, wobei ein Stromfluss durch die erste und zweite stromleitende Komponente 202a und 202b durch die Stromsteuereinrichtung 212 anhand des von der Erkennungseinrichtung 102 ausgegebenen Ausgabesignals steuerbar ist. Die Stromsteuereinrichtung 212 kann ausgelegt sein, den Stromfluss durch die stromleitenden Komponenten 202a und 202b zu unterbrechen, sobald eine der Lichtsensoreinrichtungen 101a bis 101c ein elektrisches Signal ausgibt.
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Weiter kann die Erkennungseinrichtung 102 dazu ausgebildet sein, anhand eines Spektrums des von einer der Lichtsensoreinrichtungen 101a bis 101c erfassten Lichts zu unterscheiden, ob das Gehäuse 201 geöffnet ist oder ein Lichtbogen 203 auftritt. Bei einem Lichtbogen 203 weist das Spektrum des ausgesendeten Lichts 206 Peaks bei den für die beteiligten Materialien charakteristischen Frequenzbereichen auf, während Licht 205, welches durch das geöffnete Gehäuse 201 in ein Inneres der elektrischen Schaltung 200 trifft, ein breiteres und gleichmäßigeres Frequenzspektrum aufweist. Die Erkennungseinrichtung 102 kann somit ausgebildet sein, anhand einer Position und Intensität der Peaks in dem Spektrum des von einer Lichtsensoreinrichtung 101a bis 101c erfassten Lichts einen Lichtbogen 203 zu erkennen und optional eine Art der durch den Lichtbogen 203 geschmolzenen Materialien, beispielsweise von Kupfer oder Aluminium, und/oder eine Intensität des Lichtbogens 203 zu bestimmen. Die Erkennungseinrichtung 102 kann diese Bestimmung hierbei vorzugsweise durch Vergleich des Spektrums des erfassten Lichts mit in einer Speichervorrichtung der Erkennungseinrichtung 102 gespeicherten Referenzspektren durchführen. Erkennt die Erkennungseinrichtung 102 einen Lichtbogen, so kann die Erkennungseinrichtung 102 weiter dazu ausgelegt sein, anhand des elektrischen Signals eine Dauer des Lichtbogens 203 zu ermitteln. Liegt die Dauer des Lichtbogens 203 über einem ersten vorgegebenen Wert, so kann die Erkennungseinrichtung 102 dazu ausgebildet sein, ein Fehlersignal auszugeben. Liegt die Dauer des Lichtbogens 203 über einem zweiten vorgegeben Wert, so kann die Erkennungsvorrichtung 102 ausgebildet sein, die Stromsteuereinrichtung 212 anzusteuern, um den Stromfluss durch die stromleitenden Komponenten 202a und 202b zu unterbrechen.
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Weiter ist an der Steckverbindung 208 ein lichtleitendes Kabel 211, beispielsweise ein Glasfaserkabel oder ein Kunststoffkabel angeordnet, wobei ein von außen auf die Steckverbindung 201 auftreffendes Licht 207 über das lichtleitende Kabel 211 auf eine lichtsensitive Schicht der ersten Lichtsensoreinrichtung 101a leitbar ist, falls die Steckverbindung 208 von dem Stecker 209 zumindest teilweise getrennt ist. Falls die Steckverbindung mit dem Stecker 209 verbunden ist, verdeckt der Stecker 209 das lichtleitende Kabel 211 derart, dass Licht von außen nicht in das lichtleitende Kabel 211 gelangen kann.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Erkennungseinrichtung 102 dazu ausgelegt, anhand des von der ersten Lichtsensoreinrichtung 101c ausgegebenen elektrischen Signals zu erkennen, ob die Steckverbindung 208 von dem Stecker 209 zumindest teilweise getrennt ist. So kann die Erkennungseinrichtung 102 dazu ausgebildet sein, falls die erste und die zweite Lichtsensoreinrichtung 101a und 101b kein elektrisches Signal ausgeben, zu erkennen, dass das Gehäuse 201 der elektrischen Schaltung 200 nicht geöffnet ist. Gibt nun die dritte Lichtsensoreinrichtung 101c ein elektrisches Signal aus, so kann die Erkennungseinrichtung 102 dazu ausgelegt sein, zu erkennen, dass die Steckverbindung 208 von dem Stecker 209 zumindest teilweise getrennt ist.
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Weiter kann die Erkennungseinrichtung 102 dazu ausgelegt sein, zu erkennen, in welchem Teilvolumen ein Lichtbogen auftritt und/oder das Gehäuse 201 geöffnet ist. Gibt beispielsweise die dritte Lichtsensoreinrichtung 101c ein elektrisches Signal aus, so kann die Erkennungseinrichtung 102 ausgebildet sein, zu erkennen, dass ein Lichtbogen in dem zweiten Teilvolumen 214b auftritt und/oder das Gehäuse 201 zum zweiten Teilvolumen 214b hin geöffnet ist.
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Die Klappe 204 des Gehäuses 201 ist optional. So kann die Erkennungseinrichtung 102 auch dazu ausgelegt sein, zu erkennen, dass eine Abdeckung oder Verkleidung des Gehäuses beispielsweise durch Aufschrauben oder durch Trennen von Teilen des Gehäuses 201 geöffnet wird, oder dass aufgrund einer Beschädigung eine Öffnung in dem Gehäuse 201 entsteht.
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Weiter kann die Erkennungseinrichtung dazu ausgelegt sein, anhand der von der Temperatursensoreinrichtung 213 ermittelten Temperatur zu erkennen, ob ein Lichtbogen 203 auftritt. Beispielsweise kann der Lichtsensor hierbei als Fotowiderstand (light dependent resistor) ausgebildet sein und die Temperatursensoreinrichtung 213 kann mit den Lichtsensoreinrichtungen 101a bis 101c in Reihe geschaltet sein. Die Erkennungseinrichtung 102 kann dazu ausgebildet sein, zu unterscheiden, ob eine Temperaturänderung oder ein Lichtbogen 203 vorliegt.
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In 3 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Erkennen eines Öffnens eines Gehäuses 201 einer elektrischen Schaltung 200 und/oder eines Auftretens eines Lichtbogens 203 in der elektrischen Schaltung 200 abgebildet. Hierbei wird in einem Verfahrensschritt S1 erkannt, ob das Gehäuse 201 geöffnet ist oder ein Lichtbogen 203 auftritt, durch Auswertung eines von einer Lichtsensoreinrichtung 101 bei einem Auftreffen von Licht auf die Lichtsensoreinrichtung 101 ausgegebenen entsprechenden elektrischen Signals. Beispielsweise kann das Erkennen anhand eines Spektrums und/oder einer Intensität des aufgetroffenen Lichts durchgeführt werden. Hierzu kann insbesondere eine Sicherheitsvorrichtung 100 gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005011504 U1 [0002]
