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Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses, bestehend aus zwei, in einem Gehäuse befindlichen, platten- oder scheibenförmigen, ein unterschiedliches Potential führenden Anschlussteilen, wobei zwischen den Anschlussteilen eine folienartige Isolationsstrecke angeordnet ist und sich in unmittelbarer Nähe der Isolationsstrecke eine exotherme folienartig ausgebildete Masse befindet, welche mit der Isolationsstrecke eine Sandwichanordnung bildet, wobei deren exotherme Energie bei energetischer Beaufschlagung durch elektrische Entladung freigesetzt wird und zur Deformation oder Zerstörung der Isolationsstrecke führt, derart, dass die Potentialtrennung zwischen den Anschlussteilen aufgehoben ist und der Kurzschlussfall eintritt, wobei mindestens eines der Anschlussteile unter mechanischer Vorspannung steht, so dass die Anschlussteile in mechanischen und elektrischen Kontakt gelangen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Kurzschließer für den Anlagenschutz sollen sehr schnell einen metallischen Kurzschluss realisieren und hohe Ströme führen können.
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Beim gewünschten schnellen Schließen von metallischen Kontakten lässt sich insbesondere bei einfachen und kostengünstigen Ausführungen ein Kontaktprellen kaum vermeiden. Infolge dieses Kontaktprellens aber auch bedingt durch die Höhe des Stromes können Lichtbögen zwischen den Kontakten entstehen, welche die Oberfläche der Kontakte stark schädigen, wodurch eine sichere Führung des Stromes über einen längeren Zeitraum gefährdet ist.
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Um diese Erscheinungen zu kompensieren, ist ein erhöhter Aufwand notwendig, welcher unter anderem das Antriebssystem zum Schließen der Kontakte aber auch die Kontakte selbst betrifft.
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Kurzschließeranordnungen für den Einsatz in Nieder- und Mittelspannungsanlagen zum Sach- und Personenschutz auf der Basis bewegter Kontaktelektroden sind beispielsweise in der
DE 10 2005 048 003 A1 vorgestellt.
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Eine weitergebildete Kurzschließeinrichtung nach
DE 10 2016 115 222 A1 , welche ebenfalls von einer Kontaktelektrodenanordnung ausgeht, wobei eine der Elektroden unter mechanischer Vorspannung steht und im Kurzschlussfall federkraftunterstützt eine Bewegung zur weiteren Kontaktelektrode über ein bewegliches Kontaktteil ausführt, weist ein Opferelement als Abstandshalter zwischen den Kontaktelektroden auf. Das bewegliche Kontaktteil oder Kontaktelement ist als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet. Im Hohlzylinder ist eine Feder zur Vorspannungserzeugung eingesetzt. Der Hohlzylinder ist in einer komplementären Aussparung in der ersten Kontaktelektrode unter Bildung eines Gleitkontaktes beweglich geführt. Im Bereich des Bodens des geschlossenen Hohlzylinders geht dessen Zylinderwandung außenumfangseitig in einen Konus über. Im Inneren des Hohlzylinders erstreckt sich ausgehend vom Boden ein erster zapfenförmiger Fortsatz, welchem ein zu den Kontaktelektroden isolierter, zweiter zapfenförmiger Fortsatz gegenüberliegt. Zwischen dem ersten und dem zweiten zapfenförmigen Fortsatz befindet sich das Opferelement, das beispielsweise als Bolzen oder Schraube ausgebildet ist. In der zweiten Kontaktelektrode ist eine, an den Außenkonus des beweglichen Kontaktes angepasste Aussparung mit Innenkonus vorgesehen. Außen- und Innenkonus bilden einen prellfreien Kurzschluss-Kontaktbereich mit Kraft- und Formschluss aufgrund auftretender plastischer Verformung.
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Trotz der erreichten Fortschritte bei derartigen Kurzschließern mit mechanisch bewegten Kontakten ist die Zeitdauer bis zum Erreichen eines stromtragfähigen elektrischen Kurzschlusses in vielen Fällen zu hoch.
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Bei der Einrichtung zum betriebsspannungsunabhängigen Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses nach
DE 10 2013 005 783 A1 soll abweichend von Ausführungen mit mechanisch bewegten Kontakten eine platzsparende und kostengünstige Lösung geschaffen werden.
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Gemäß dem dortigen Grundgedanken werden zwischen zwei zum Beispiel plattenförmigen Teilen, die ein unterschiedliches Potential führen, jeweils eine Isolationsfolie und eine exotherme Masse, bevorzugt ebenfalls ausgebildet als Folie, angeordnet. Die exotherme Masse kann über einen Stromimpuls, durch mechanischen Schlag oder Druck oder einen intensiven Lichtimpuls aber auch durch elektrische Entladungs- und Umladungsprozesse aktiviert werden.
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Die Reaktion der exothermen Masse führt zum Schmelzen bzw. zu einer Deformation der die Isolationsstrecke bildenden Isolationsfolien innerhalb sehr kurzer Zeit, wodurch die Potentialtrennung aufgehoben wird und ein Kurzschluss zwischen den potentialbehafteten Teilen herstellbar ist.
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Mindestens eines der Anschlussteile kann unter mechanischer Vorspannung stehen, so dass bei Zerstörung oder Deformation der Isolationsstrecke die Anschlussteile über eine dann eintretende mechanische Bewegung, die jedoch nur einen geringen Abstand zu überwinden hat, miteinander in Kontakt gelangen.
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Die exotherme Masse ist derart ausgelegt und dimensioniert, dass innerhalb einer Zeitdauer von ca. 1 bis 10 Millisekunden ausreichend Wärme freigegeben ist, um die Isolationsfolie zu schmelzen oder maßgeblich zu deformieren.
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Als Reaktionsfolie kann zum Beispiel das Produkt „NanoFoil“ (eingetragene Marke) verwendet werden. Als Isolationsfolie kann eine bekannte technische Isolationsfolie für elektrische Verwendungszwecke Anwendung finden, die eine hohe Durchschlagsfestigkeit besitzt und eine Dauergebrauchstemperatur aufweist, die der Anwendung des zu schützenden Gerätes entspricht. Beispielsweise geeignet sind hier PE-, PET-, PS-, PP-, PSU-, PA6- und PC-Folien mit einer elektrischen Durchschlagsfestigkeit von > 30 kV/mm.
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Bevorzugt wird die Reaktionsfolie als exotherme Masse und die elektrische Isolationsfolie sandwichartig realisiert.
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Die
DE 10 2013 005 783 A1 wird als gattungsbildende Druckschrift sowie im Hinblick auf das Wissen des Fachmannes hinsichtlich der Realisierung einer Sandwichanordnung aus Isolationsfolie und Reaktionsfolie vollinhaltlich Gegenstand der Offenbarung vorliegender Lehre.
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Aus dem obengenannten geschilderten Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Einrichtung zum Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses anzugeben. Der neuartige Kurzschließer unter Nutzung einer exothermen Reaktionsfolie soll auch bei Anlagenkurzschließern eingesetzt werden können, wobei es das Ziel der Erfindung ist, die Zeit bis zum Eintreten eines sicheren elektrischen Kurzschlusses deutlich zu verringern.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Der Grundgedanke der Erfindung sei nachstehend kurz umrissen.
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Aufgrund der Tatsache, dass die Reaktionszeit der Reaktionsfolie von dem Aufbau, dem Material und der Flächenausdehnung abhängig ist, wird vorgeschlagen, einen Kurzschluss vor und unabhängig von der Reaktionszeit der eigentlichen Reaktionsfolie einzuleiten, welcher den Stromfluss für eine begrenzte Zeitdauer übernimmt und danach vom erreichten metallischen Kurzschluss der Anschlussteile entlastet wird. Es liegt also ein quasi Hilfskurzschließer vor, der einen Kurzschluss nach einer Zeitdauer von ca. 100 µs nach seiner Ansteuerung ermöglicht.
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Der Hilfskurzschließer wird auf der Basis eines oder mehrerer Sicherungsschmelzleiter realisiert, welche bei Stromfluss und einem definierten Schmelzintegral eine Entladung erzeugen, die den Pfad des Hilfskurzschließers aktiviert und gleichzeitig für eine Aktivierung der Reaktionsfolie sorgt, so dass die gewünschte exotherme Reaktion eintreten kann.
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Die erfindungsgemäße Lehre geht demnach von einer Einrichtung zum Erzeugen eines sicheren, niederohmigen elektrischen Kurzschlusses aus, die aus zwei, in einem Gehäuse befindlichen, platten- oder scheibenförmigen, ein unterschiedliches Potential führenden Anschlussteilen besteht.
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Zwischen den Anschlussteilen ist die bereits erwähnte folienartige Isolationsstrecke angeordnet. In unmittelbarer Nähe der Isolationsstrecke befindet sich eine exotherme, ebenfalls bevorzugt folienartig ausgebildete Masse.
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Diese folienartig ausgebildete exotherme Masse bildet mit der Isolationsstrecke in bevorzugter Weise eine Sandwichanordnung.
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Die exotherme Energie der Reaktionsfolie wird bei energetischer Beaufschlagung durch elektrische Entladung, insbesondere durch einen Lichtbogen freigesetzt und zur Deformation oder Zerstörung der Isolationsstrecke genutzt. Infolgedessen wird die Potentialtrennung zwischen den Anschlussteilen aufgehoben und es tritt der Kurzschlussfall ein.
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Mindestens eines der Anschlussteile steht noch ergänzend unter mechanischer Vorspannung, so dass die Anschlussteile in mechanischen oder elektrischen Kontakt gelangen und der erreichte Kurzschlusszustand erhalten bleibt.
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Erfindungsgemäß ist für eine gezielte elektrische Entladung, das heißt der Erzeugung eines Lichtbogens und gleichzeitigem Hilfskurzschluss an oder in der Nähe der Sandwichanordnung innerhalb des Gehäuses der Einrichtung mindestens ein Schmelzleiter ausgebildet, welcher mittels einer Schalteinrichtung einen Stromfluss zwischen den Anschlussteilen ermöglicht.
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Infolge dieses Stromflusses wird der Schmelzleiter überlastet und es entsteht ein Lichtbogen zur Aktivierung der exothermen Masse, das heißt der Reaktionsfolie.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist im Gehäuse eine isolierte Durchführung für die Ansteuerung des Schmelzleiters ausgebildet.
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Der Schmelzleiter selbst befindet sich in einem Freiraum innerhalb des Gehäuses, wobei der Freiraum durch einen Abstand von der Gehäuseinnenwandung und einem der Anschlussteile gebildet wird.
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Die Schalteinrichtung steht bei einer Weiterbildung der Erfindung mit einer im Gehäuse angeordneten Hilfselektrode in Verbindung.
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Der Schmelzleiter wird in diesem Falle einerseits mit der Hilfselektrode sowie andererseits mit einem der Anschlussteile in elektrische Verbindung gebracht.
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Der Abstand der Hilfselektrode vom Anschlussteil ist trennstreckenunabhängig und mit dem Ziel einer geringen Lichtbogenspannung wählbar.
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Im Stromkreis mit Schalteinrichtung und Schmelzleiter sowie Hilfselektrode ist ausgestaltend eine zusätzliche, externe Sicherung angeordnet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Schmelzleiter Bestandteil einer Platinensicherung mit mindestens einem Engstellenbereich.
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Eine Platinensicherung ist eine Sicherung, die von einem isolierenden Verdrahtungsträger, zum Beispiel in Form einer Leiterplatte ausgeht, wobei sich auf dem Verdrahtungsträger eine leitfähige Kaschierung befindet. Diese leitfähige Kaschierung kann durch bekannte Ätz- oder Fräsverfahren strukturiert werden. Beispielsweise kann eine elektrische Engstelle ausgehend von einer entsprechenden Leiterbahn gebildet und bezüglich der geometrischen Eigenschaften und des zu erreichenden Schmelzintegralwertes optimiert werden.
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Der Engstellenbereich der Platinensicherung ist dabei so angeordnet, dass bei Lichtbogenbildung eine thermische Einwirkung sowohl auf die Isolationsfolie als auch die Reaktionsfolie erfolgt.
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Bei einer diesbezüglichen Ausgestaltung können auch zwei in Reihe geschaltete Engstellen realisiert werden, wobei ein erster Engstellenbereich die Reaktionsfolie auslöst und ein zweiter Engstellenbereich die Isolationsfolie schädigt.
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Bei dieser Ausbildung kann eine sehr dichte räumliche Annäherung der entsprechenden Engstellen an die Folien oder Folienabschnitte erfolgen.
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Insbesondere bei der Ausbildung von zwei in Reihe geschalteten Engstellen können die Schmelzenergien des ersten und des zweiten Engstellenbereiches unterschiedlich und auf die zu erzielende Wirkung, das heißt die Zündung der Reaktionsfolie einerseits und die Zerstörung der Isolationsfolie andererseits abgestimmt werden.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch einen beispielhaften Kurzschließer mit zwei gegenüberliegenden Anschlussteilen und einer dazwischen befindlichen Sandwichanordnung aus Isolationsfolie und Reaktionsfolie in einer ersten Ausführungsform mit Hilfskurzschluss und Schmelzleiter;
- 2 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 1, jedoch in einer zweiten Ausführungsform mit einer zusätzlichen potentialfreien Hilfselektrode, die in Reihe mit einer externen Schalteinrichtung und mindestens einem Schmelzleiter für einen Hilfskurzschluss geschalten ist;
- 3 eine erste Darstellung des Details A nach 2 zur Ausbildung eines Schmelzleiters in Form einer Platinensicherung mit Engstellenbereich; und
- 4 eine zweite Ausführungsform des Details A nach 2 mit zwei in Reihe geschalteten Platinensicherungen mit entsprechenden Engstellen, räumlich dicht und nahe an der jeweiligen Folie angeordnet.
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Bei den Darstellungen gemäß den 1 und 2 wird von einem Kurzschließer mit Sandwichanordnung aus Reaktionsfolie 3 und Isolationsfolie 4 ausgegangen.
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Der Kurzschließer befindet sich in einem Gehäuse 7.
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Das Gehäuse weist zwei Anschlussteile 1 und 2 auf.
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Im Inneren des Gehäuses liegen sich die Anschlussteile 1; 2 unter Zwischenschaltung der Sandwichanordnung aus Reaktionsfolie 3 und Isolationsfolie 4 gegenüber.
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Das beispielsweise zylinderförmige Gehäuse 7 ist mittels eines Deckels über eine stilisiert gezeigte Schraubverbindung geschlossen. Beim Beispiel nach 1 und 2 liegt das Gehäuse 7 auf dem Potential des Anschlussteiles 1.
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Das Anschlussteil 2 ist über einen Isolationskörper 6 elektrisch getrennt.
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Ein Kraftspeicher in Form einer Feder 5 sorgt für einen Kraftvektor F, der im gezeigten Beispiel ausgehend vom Anschlussteil 2 in Richtung des Anschlussteiles 1 orientiert ist.
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Die Beispiele nach den 1 und 2 gehen von einem einpoligen Kurzschließer mit zwei Anschlussteilen 1; 2 aus. Selbstverständlich ist hier eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens auf mehrpolige Kurzschließer möglich, ohne den Kerngedanken der Erfindungslehre zu verlassen.
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Bei einer Ausführung gemäß den Darstellungen besitzt das Gehäuse 7 Potential des Hauptkontaktes bzw. Anschlussteiles 1. Für die notwendige erfindungsgemäße Ansteuerung 9 kommt eine isolierte Durchführung 10 zum Einsatz. Die isolierte Durchführung 10 ermöglicht eine Potentialzuführung durch die Wandung des Gehäuses 7.
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Bei einer beidseitig isolierten Einführung der Anschlussteile 1; 2 kann im Falle eines metallischen Gehäuses 7 dieses auch direkt zur Ansteuerung 9 Verwendung finden.
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Um eine gezielte elektrische Entladung und einen gleichzeitigen Hilfskurzschluss zu bewerkstelligen ist ein Schmelzleiter 12 innerhalb des Gehäuses 7 in der Nähe der Sandwichanordnung aus Reaktionsfolie 3 und Isolationsfolie 4 befindlich.
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Dieser Schmelzleiter kann über eine Schalteinrichtung 11 einen Stromfluss zwischen den Anschlussteilen 1; 2 ermöglichen.
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In dessen Folge wird der Schmelzleiter 12 überlastet und es entsteht ein Lichtbogen 13 zur Aktivierung der exothermen Masse bzw. der Reaktionsfolie 3.
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Der Schalter 11 kann beispielsweise als Halbleiterschalter realisiert werden.
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Der Schmelzleiter kann als Sicherungselement in Form eines Drahtes aber auch auf der Basis eines Trägers in Form einer Leiterplatte mit Sicherungselement ausgeführt werden.
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Das Sicherungselement kann vollständig isoliert oder aber auch nur im Bereich der Durchführung 10 isoliert sein.
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Wird der Schalter, beispielsweise über eine Störlichtbogenerfassungseinheit aktiviert, fließt ein Strom zwischen den Anschlussteilen 1 und 2 über den Schalter 11 und das Sicherungselement 12. Der Lichtbogen 13 im Trennstreckenbereich zwischen Gehäuse 7 und Anschlussteil 2 zerstört die Isolationsfolie 4 mindestens teilweise und löst die Reaktionsfolie 3 aus. Durch die Gestaltung und die Positionierung des Schmelzleiters 12 ist sichergestellt, dass der Lichtbogen 13 an der Reaktionsfolie 3 oder zumindest sehr nahe an dieser entsteht, so dass die Reaktionsfolie 3 aktivierbar ist. Bis die Wirkung der Reaktionsfolie 3 die Isolationsfolie 4 so weit geschädigt hat, dass ein direkter Stromfluss zwischen den Anschlussteilen 1; 2 erfolgt, wird der Stromfluss über den Lichtbogen 13 getragen. Die eigentliche Reaktionszeit der Reaktionsfolie 3 ist somit für die Gesamtfunktion des Kurzschließers und für die Einleitung des Kurzschlusses zwischen den Anschlussteilen nicht bestimmend.
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Diese Zeit wird ausschließlich durch die Erfassungszeit des Fehlerzustandes und die Schaltzeit des Schalters 11 bestimmt.
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Damit im Falle eines Störlichtbogens mit niedriger Lichtbogenspannung die Entlastung durch den Kurzschließer realisiert werden kann, muss lediglich die Lichtbogenspannung zwischen den Teilen 2 und 7 auf einen Wert von wenigen 10 V begrenzt werden. Dies ist durch das Material und den Abstand der sich ergebenden Entladungsstrecke sichergestellt.
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Nach Einleitung des direkten Kurzschlusses zwischen den Anschlussteilen 1; 2 infolge der Wirkung der Reaktionsfolie 3, wird der Lichtbogen 13 aufgrund seiner jetzt höheren Impedanz gegenüber dem metallischen Kurzschluss sofort gelöscht.
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Der Ansteuerpfad mit Schalter 11, Ansteuerung 9 und Schmelzleiter 12 wird jedoch bereits bei der Lichtbogenentstehung zwischen dem Gehäuse 7 und dem Anschlussteil 2 entlastet. Hierdurch ist eine sehr einfache und preiswerte Auslegung des Ansteuerpfades und des Schalters 11 möglich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird von einer vergleichbaren Grundkonstruktion ausgegangen, wie diese anhand der 1 bereits erläutert wurde.
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Gemäß 2 ist jedoch eine zusätzliche, potentialfreie Hilfselektrode 14 über den dort gezeigten Schalter 11 mit dem Anschlussteil 2 verbunden.
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Die Hilfselektrode 14 ist über die Ansteuerung 9 isoliert (Isolation 10) durch die Wandung des Gehäuses 7 geführt.
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Die Hilfselektrode 14, die sich im Inneren des Gehäuses befindet, steht mit einer Sicherung 12 als Schmelzelement in Verbindung. Die Sicherung 12 ist elektrisch am Anschlussteil 1 angeschlossen.
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Der Abstand zwischen der Hilfselektrode 14 und der Hauptelektrode bzw. dem Anschlussteil 1 ist unabhängig von den benötigten Trennstrecken wählbar, wodurch sehr geringe Lichtbogenspannungen und ebenso geringe Verlustleistungen der Hilfsstrecke realisiert werden können.
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Bei der Ausführungsform nach 2 wird der Schalter 11 nicht nach der Zündung des Lichtbogens entlastet. Der Schalter 11 muss den Strom bis zum metallischen Kurzschluss der beiden Anschlussteile 1; 2 und somit bis zur Zeitdauer in Sachen Wirkung der Reaktionsfolie 3 tragen.
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Damit diesbezüglich keine Überlastung des entsprechenden Pfades mit dem Schalter 11 auch bei längeren Reaktionszeiten bzw. hohen Kurzschlussströmen auftreten kann, besteht die Möglichkeit, in diesem Pfad eine weitere elektrische Sicherung 15 mit hohem Schaltvermögen vorzusehen.
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Im Falle des Auslösens des Kurzschlusses fließt bei geschlossenem Schalter 11 ein Strom über die Reihenschaltung aus den Teilen 15, 11, 9, 14 und 12. Bei entsprechender Stromstärke kommt es zu einer Überlastung der Sicherung 12 und zur Bildung eines Lichtbogens analog der Funktionsweise wie bereits anhand der 1 geschildert.
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Der Lichtbogen zündet die Reaktionsfolie. Infolgedessen kommt es zu einer Zerstörung der Isolationsfolie 4 und zum Herstellen des gewünschten metallischen Kurzschlusses zwischen den Anschlussteilen 1; 2.
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Die 3 und 4 zeigen in vergrößerter Darstellung Varianten gemäß Detail A nach 2.
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Gemäß der Darstellung nach 3 wird an die Hilfselektrode 14 eine Platinensicherung 12 angeschlossen.
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Der Engstellenbereich dieser Sicherung 12 ist räumlich so angeordnet, dass bei einer Lichtbogenbildung eine direkte thermische und mechanische Wirkung auf die Isolationsfolie 4 ausgeübt und gleichzeitig die Reaktionsfolie 3 durch den Lichtbogen aktiviert wird.
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Bei hinreichend hohen Lichtbogenströmen und zur Verfügung stehender Energie wird die Isolationsfolie 4 im Bereich der Sicherung 12 partiell zerstört, so dass noch vor dem großflächigen metallischen Kurzschluss zwischen den Anschlussteilen 1; 2 ein direkter Stromfluss zwischen den Hauptelektroden möglich wird.
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Die 4 zeigt eine ähnliche Anordnung mit einer Platinensicherung.
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Im Unterschied zur Darstellung nach 3 besteht die Platinensicherung gemäß 4 aus zwei in Reihe geschalteten Einzelsicherungen 12; 16.
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Beim Aufschmelzen und Bildung eines Lichtbogens im Bereich der Sicherung 16 wird die Isolationsfolie 4 geschädigt.
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Die Sicherung 12 hingegen dient der Aktivierung, das heißt der Zündung der Reaktionsfolie 3.
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Durch die Möglichkeit der in der Figur gezeigten räumlichen bzw. geometrischen versetzten Anordnung der Sicherungen 12; 16 kann deren Wirkung optimal auf die Sandwichanordnung bzw. die einzelnen Folien 3; 4 abgestimmt werden.
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Ebenso erlaubt eine solche Anordnung eine Abstufung der Schmelzenergien der Sicherungen, wodurch die Wirkung der Sicherungen speziell auf die Aufgabe Zündung der Reaktionsfolie bzw. Schädigung der Isolationsfolie abstimmbar ist.
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Der Schmelzleiter der Sicherung für die Zündung der Reaktionsfolie besitzt bevorzugt einen I2T-Wert von < 10 A2s bzw. eine Nennstromstärke von < 300 mA.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005048003 A1 [0005]
- DE 102016115222 A1 [0006]
- DE 102013005783 A1 [0008, 0015]
