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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Sicherung. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung eine Schmelzsicherung mit verbesserten Eigenschaften.
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Schmelzsicherungen, oftmals kurz auch nur als Sicherungen bezeichnet, werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Schmelzsicherungen dienen zum Schutz von Verbrauchern und Leitungen vor Überströmen, wie z.B. Kurzschlussströmen. Der Schutz von Leitungen und Geräten vor Überlastung und Kurzschluss wird erreicht, indem die Schmelzsicherung bei einer bestimmten Stromstärke den Stromfluss unterbricht. Die Schmelzsicherung ist daher als eine spezielle Überstromschutzeinrichtung anzusehen. Der Überstromschutz wird bei der Schmelzsicherung realisiert, indem durch das Abschmelzen eines hierfür vorgesehenen Schmelzkörpers, z.B. eines Schmelzleiters, der Stromkreis unterbrochen wird, wenn die Stromstärke des durch die Schmelzsicherung fließenden Stroms einen bestimmten Wert während einer ausreichenden Zeit überschreitet. Zu unterscheiden ist eine Schmelzsicherung von anderen Schutzeinrichtungen, wie Leitungsschutzschaltern, selbstrückstellenden Sicherungen und elektronischen Sicherungen. Im Gegensatz zu den genannten Schutzeinrichtungen können einmal ausgelöste Schmelzsicherungen nicht mehr verwendet werden und müssen ausgetauscht werden.
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Eine Schmelzsicherung weist für gewöhnlich einen Sicherungskörper auf, wie z.B. einen Glaskolben. An den Enden des Sicherungskörpers sind Kontakte vorhanden. Im Sicherungskörper und zwischen den Kontakten befindet sich ein oftmals als Schmelzdraht ausgebildeter Schmelzkörper. Der Schmelzdraht kann auch als Schmelzleiter bezeichnet werden. Der Schmelzdraht besteht meist aus Elektrolytkupfer. Der Schmelzdraht ist so ausgelegt, dass er den Nennstrom der Schmelzsicherung problemlos aushält. Mit zunehmendem Strom wird der relativ dünne Schmelzdraht erwärmt bis er anfängt zu schmelzen. Beim Überschreiten des Nennstroms in einer bestimmten Höhe und für eine bestimmte Zeit wird der Draht durch einen Schmelzvorgang zerstört und der Stromkreis wird dadurch unterbrochen. Das heißt, wird der Schmelzdraht von einem zu hohen Strom durchflossen, beginnt er zu schmelzen und unterbricht den Stromkreis nach einer bestimmten Zeit.
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Um den Schmelzdraht befindet sich manchmal Luft, meistens jedoch Quarzsand, um den beim Auslösen der Sicherung entstehenden Lichtbogen zu löschen. Das heißt, der Schmelzleiter ist in Quarzsand gebettet, so dass es nicht zu einer Entzündung der Umgebung kommt. In oder an der Sicherung befindet sich für gewöhnlich eine Markierung, anhand derer erkannt werden kann, ob die Sicherung bereits ausgelöst hat. Beispielsweise fällt diese im unausgelösten Zustand der Schmelzsicherung vorhandene Markierung ab, wenn die Schmelzsicherung ausgelöst hat.
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Schmelzsicherungen unterscheiden sich in ihrer Zeit-Strom-Charakteristik. Es existieren verschiedene Schmelzsicherungen, die auf verschiedene Nennströme und Zeitdauern bis zum Beginn des Schmelzvorgangs abgestimmt sind. Es gibt Schmelzsicherungen für verschiedene Nennstromstärken, wie beispielsweise für Nennstromstärken zwischen 0,010 A bis 500,000 A. Das heißt, sie reagieren unterschiedlich schnell auf Stromspitzen. Flinke Schmelzsicherungen reagieren schon bei einem kleineren, erhöhten Stromfluss. Träge Schmelzsicherungen tolerieren einen solchen Strom.
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Es zeichnet sich ab, dass herkömmliche Schmelzsicherungen nicht die zukünftige, geforderte Auslösecharakteristik haben werden. Besonders problematisch wird dies in der Fahrzeugtechnik. Aufgrund gesteigerter Sicherheitsanforderungen müssen Verbraucher im Fehlerfall innerhalb definierter Zeiten durch ein Sicherungselement vom elektrischen Bordnetz eines Fahrzeugs getrennt werden. Diese geforderten Zeiten sind mit herkömmlichen Schmelzsicherungen nicht zu erreichen, da diese eine zeitlich zu hohe Trägheit aufweisen. Auf der anderen Seite ist diese Trägheit herkömmlicher Schmelzsicherungen im Normalbetrieb (also kein Fehlerfall des Verbrauchers) erwünscht, da im Normalbetrieb auch kurzzeitig höhere Ströme, z.B. beim Aufstarten eines Verbrauchers, auftreten können. Daher stellt sich die Problematik, dass einerseits Schmelzsicherungen träge genug sein sollten, um im Normalbetrieb auch kurzzeitig höhere Ströme tolerieren zu können und bei diesen nicht auszulösen. Andererseits sollten Schmelzsicherungen so flink auslösen, dass sie die geforderten kurzen Auslösezeiten erfüllen. Mit herkömmlichen Schmelzsicherungen ist dieser Konflikt bislang nicht aufzulösen.
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Die
DE 606 035 A offenbart eine Hochleistungsschmelzsicherung. Beim Ansprechen wird durch im Patroneninneren angebrachte geeignete Vorrichtungen ein quer zu den Schmelzleitern bzw. quer zur Verbindungslinie der Zuführungsstellen für die Schmelzleiter liegendes elektrisches Feld erzeugt. Das elektrische Feld bleibt auch nach dem Abschmelzvorgang noch erhalten. Die Äquipotentialflächen verlaufen mindestens im mittleren Teil des Abschmelzraumes in Richtung der Verbindungslinie der Kontaktkappen der Patrone bzw. parallel zur Patronenachse.
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Die
DE 311 201 A beschreibt eine Sicherung für hohe Spannungen, deren Einsatz durch mit ihm verbundene leitende Schirme gegen Strahlung geschützt ist. Die Schirme sind vollständig in das Isoliermaterial des Rohres eingewickelt sind. Sind diese Schirme in gewickeltes Isoliermaterial vollständig eingewickelt, so können sie selbst weder nach außen noch zum anderen Ende der Sicherung strahlen, nachdem der Schmelzeinsatz durchgeschmolzen ist. Überdecken sich die Schirme
S1,
S2 in einem bestimmten Maß, bilden sie dann einen Kondensator, der normal durch den Schmelzfaden kurzgeschlossen ist, und der die etwa beim Durchschmelzen auftretenden Wellen auffängt.
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Es besteht daher ein Bedarf an einer Schmelzsicherung mit gegenüber herkömmlichen Schmelzsicherungen verbesserten Eigenschaften. Insbesondere besteht ein Bedarf an einer Schmelzsicherung, die auf der einen Seite einen Verbraucher im Fehlerfall schnell, und idealerweise schneller als herkömmliche Schmelzsicherungen, von einem elektrischen Netz, beispielsweise von einem Verbraucher eines Bordnetzes oder von einem Bordnetz, trennen kann, und auf der anderen Seite dennoch im normalen Betrieb die heute übliche Trägheit herkömmlicher Schmelzsicherungen aufweist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schmelzsicherung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Die Schmelzsicherung weist einen Schmelzkörper und einen Kondensator auf. Der Schmelzkörper ist ausgebildet, einen Stromfluss bewirkende elektrische Ladungsträger zu leiten. Der Schmelzkörper ist ferner ausgebildet, bei Überschreiten eines Nennstromwerts durch den Stromfluss für eine vorgegebene Zeitspanne, durch Schmelzen den Stromfluss zu unterbrechen. Anders ausgedrückt ist der Schmelzkörper ausgebildet, durch Schmelzen den Stromfluss durch den Schmelzkörper zu unterbrechen, wenn der Stromfluss einen vorgegebenen Nennstromwert für eine vorgegebene Zeitspanne überschreitet. Der Schmelzkörper kann einen Schmelzdraht oder Schmelzleiter aufweisen. Alternativ kann der Schmelzkörper als Schmelzdraht oder Schmelzleiter ausgebildet sein. Der Schmelzkörper kann einem in herkömmlichen Schmelzsicherungen eingesetzten Schmelzkörper, z.B. einem Schmelzdraht, entsprechen.
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Die Schmelzsicherung weist ferner einen Kondensator auf. Der Kondensator ist ausgebildet und angeordnet, ein elektrisches Feld durch den Schmelzkörper zu erzeugen. Das erzeugte elektrische Feld ist/verläuft derart orientiert zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper, dass das elektrische Feld die den Stromfluss bewirkenden elektrischen Ladungsträger in ihrer räumlichen Verteilung zu beeinflussen vermag. Anders ausgedrückt lenkt das elektrische Feld die elektrischen Ladungsträger ab. Dadurch ändert sich die Verteilung der elektrischen Ladungsträger in dem Schmelzkörper. Genauer gesagt, ändert sich der Weg der elektrischen Ladungsträger durch den Schmelzkörper, wie z.B. durch den Schmelzdraht des Schmelzkörpers.
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Durch die Beeinflussung oder Änderung der räumlichen Verteilung der elektrischen Ladungsträger in dem Schmelzkörper ändern sich die Schmelzeigenschaften des Schmelzkörpers.
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Das elektrische Feld kann derart orientiert zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper verlaufen, dass das elektrische Feld zumindest eine Komponente orthogonal zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper aufweist/enthält. Dadurch vermag das elektrische Feld die den Stromfluss bewirkenden elektrischen Ladungsträger in ihrer räumlichen Verteilung zu beeinflussen.
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Die zumindest eine Komponente des elektrischen Feldes, die orthogonal zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper ist/verläuft, kann ein Teil des elektrischen Feldes sein. Ein anderer Teil des elektrischen Feldes kann z.B. nicht orthogonal zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper sein/verlaufen. Alternativ kann die zumindest eine Komponente das gesamte elektrische Feld darstellen/umfassen.
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Gemäß einer spezifischen Ausgestaltung kann die Orientierung des erzeugten elektrischen Feldes zu / bezüglich der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper schräg oder quer zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper verlaufen. Beispielsweise kann das erzeugte elektrische Feld derart schräg oder quer zu / bezüglich der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper verlaufen, dass das elektrische Feld zumindest eine derartige Komponente orthogonal zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper aufweist, dass es die den Stromfluss durch den Schmelzkörper bewirkenden elektrischen Ladungsträger in ihrer räumlichen Verteilung zu beeinflussen vermag. Unter einer Orientierung des elektrischen Feldes schräg oder quer zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper kann jede Richtung verstanden werden, die nicht parallel zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper verläuft. Je näher die Orientierung des elektrischen Feldes an einer Senkrechten zu der Richtung des Stromflusses durch den Schmelzkörper verläuft oder desto größer die zumindest eine orthogonale Komponente ist, desto stärker kann die Beeinflussung der räumlichen Verteilung der elektrischen Ladungsträger durch das elektrische Feld sein.
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Der Kondensator kann derart ausgebildet und angeordnet sein, dass das erzeugte elektrische Feld die räumliche Verteilung der Ladungsträger derart zu beeinflussen vermag, dass sich in einem Schmelzbereich des Schmelzkörpers die Konzentration der elektrischen Ladungsträger erhöht. Bei dem Schmelzbereich kann es sich um einen beliebigen Bereich oder Abschnitt oder ein beliebiges Volumen des Schmelzkörpers handeln. Da sich die Konzentration der elektrischen Ladungsträger in dem Schmelzbereich erhöht, nimmt der elektrische Strom in dem Schmelzbereich einen höheren Wert an, d.h. es fließt in dem Schmelzbereich ein größerer elektrischer Strom. Da die Verlustleistung, die zur thermischen Zerstörung des Schmelzbereichs beiträgt, in quadratischem Zusammenhang steht mit dem Strom / der Stromdichte, sinkt die notwendige Zeit bis zur thermischen Zerstörung des Schmelzmaterials in dem entsprechenden Schmelzbereich. In dem Schmelzbereich wird der Nennstrom der Schmelzsicherung, ab welcher der Schmelzvorgang der Schmelzkörper einsetzt, daher häufiger und/oder schneller überschritten als bei einer entsprechenden herkömmlichen Schmelzsicherung ohne zusätzliches elektrisches Feld. Der Schmelzvorgang des Schmelzkörpers, wie z.B. des Schmelzdrahtes des Schmelzkörpers, wird dadurch in dem Schmelzbereich gegenüber einer entsprechenden herkömmlichen Schmelzsicherung beschleunigt. Folglich kann der betroffene Schmelzbereich schneller thermisch zerstört werden. Die Schmelzsicherung kann dadurch schneller auslösen, d.h. flinker sein / weniger träge sein, als eine entsprechende herkömmliche Schmelzsicherung.
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Der Stromfluss durch den Schmelzkörper kann auch als elektrischer Strom durch den Schmelzkörper bezeichnet werden. Die Begriffe sind gleichbedeutend.
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Der Kondensator kann beispielsweise derart ausgebildet und angeordnet sein, dass das elektrische Feld zumindest nahezu senkrecht zu dem Stromfluss durch den Schmelzkörper verläuft. In diesem Fall ist die von dem elektrischen Feld auf die elektrischen Ladungsträger ausgeübte Kraft maximal, d.h. die elektrischen Ladungsträger werden in diesem Fall maximal stark in ihrer räumlichen Verteilung von dem elektrischen Feld beeinflusst. Die genannte Kraft ergibt sich aus dem Coulombschen Gesetz als Coulomb-Kraft.
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Der Kondensator kann als Plattenkondensator ausgebildet sein. Bei einer Ausbildung als Plattenkondensator wird ein einfacher und/oder zuverlässiger Aufbau der Schmelzsicherung erreicht. Der Kondensator kann als Zylinderkondensator ausgebildet sein. Auch der Aufbau als Zylinderkondensator gewährleistet einen einfachen und/oder zuverlässigen Aufbau der Schmelzsicherung. Andere Ausgestaltungen des Kondensators, wie z.B. als Kugelkondensator, sind denkbar.
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Der Kondensator ist zuschaltbar und abschaltbar ausgebildet. In einer spezifischen Ausgestaltung wird das elektrische Feld daher nicht dauerhaft erzeugt. Beispielsweise kann der Kondensator zugeschaltet werden/sein, wenn ein schnell ablaufender Schmelzvorgang (schneller als bei entsprechenden herkömmlichen Schmelzsicherungen) und damit eine kurze Auslösezeit gewünscht wird. Eine kurze Auslösezeit kann in einem Fehlerfall, wie bei einem Überstrom oder Kurzschlussstrom, gefordert sein. Hingegen kann der Kondensator abgeschaltet werden/sein, wenn höhere Ströme während eines Normalbetriebs auftreten. Dadurch wird der Schmelzvorgang nicht beschleunigt sondern findet mit einer Geschwindigkeit statt, die der Geschwindigkeit von Schmelzvorgängen bei entsprechenden herkömmlichen Schmelzsicherungen entspricht. In diesem Fall wird eine Trägheit der Schmelzsicherung erreicht, die der Trägheit entsprechender herkömmlicher Schmelzsicherungen entspricht. Die Trägheit der Schmelzsicherung ist damit in Abhängigkeit der Zuschaltung und/oder Abschaltung des Kondensators veränderbar/anpassbar.
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Die Schmelzsicherung kann ferner eine Logikschaltung aufweisen. Die Logikschaltung kann ausgebildet sein, den Kondensator zuzuschalten und/oder abzuschalten. Die Logikschaltung kann zur Bestimmung, ob der Kondensator zuzuschalten oder abzuschalten ist, ein oder mehrere Logikgatter aufweisen. Die Logikschaltung kann zum Zuschalten und/oder Abschalten des Kondensators mit einem Schalter verbunden sein oder einen Schalter aufweisen.
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Die Logikschaltung kann ausgebildet sein, den Kondensator zuzuschalten, wenn ein Gradient des Stromflusses durch den Schmelzkörper einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Der vorgegebene Schwellwert kann so gewählt werden, dass zwischen einem im Normalbetrieb vorliegenden hohen Strom und einem Überstrom oder Kurzschlussstrom unterschieden werden kann. Alleine der Wert des Stroms erlaubt nicht immer eine zuverlässige Unterscheidung zwischen hohem Strom im Normalbetrieb einerseits und Überstrom oder Kurzschlussstrom andererseits. Jedoch unterscheiden sich für gewöhnlich ein im Normalbetrieb vorliegender hoher Strom und ein Überstrom oder Kurzschlussstrom hinsichtlich ihres Anstiegs, d.h. ihres Gradienten. Für gewöhnlich weist ein unerwünschter Überstrom oder zumindest ein unerwünschter Kurzschlussstrom einen höheren Gradienten auf als ein erwünschter hoher Strom.
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Die Logikschaltung kann ein erstes Logikgatter, ein zweites Logikgatter und ein drittes Logikgatter aufweisen. Das erste Logikgatter kann ausgebildet sein, die über dem Schmelzkörper (oder der Schmelzsicherung) abfallende Spannung aus an Kontakten des Schmelzkörpers jeweils anliegenden/vorliegenden Spannungen zu ermitteln. Beispielsweise kann das erste Logikgatter die über dem Schmelzkörper abfallende Spannung aus der Differenz der den an Kontakten des Schmelzkörpers jeweils anliegenden/vorliegenden Spannungen ermitteln. Die Logikschaltung kann ein zweites Logikgatter aufweisen. Das zweite Logikgatter kann ausgebildet sein, aus der über dem Schmelzkörper abfallenden Spannung den Stromfluss durch den Schmelzkörper (oder die Schmelzsicherung) zu ermitteln. Beispielsweise kann das zweite Logikgatter ausgebildet sein, den Stromfluss durch den Schmelzkörper (oder durch die Schmelzsicherung) durch Division der über dem Schmelzkörper abfallenden Spannung durch den Widerstand des Schmelzkörpers zu ermitteln. Die Logikschaltung kann ein drittes Logikgatter aufweisen. Das dritte Logikgatter kann ausgebildet sein, aus dem Stromfluss durch den Schmelzkörper (oder durch die Schmelzsicherung) den Gradienten des Stromflusses durch den Schmelzkörper zu ermitteln. Beispielsweise kann das dritte Logikgatter ausgebildet sein, den Gradienten des Stromflusses durch den Schmelzkörper durch zeitliche Ableitung des Stromflusses durch den Schmelzkörper zu ermitteln.
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Die Logikschaltung kann ein viertes Logikgatter aufweisen. Das vierte Logikgatter kann ausgebildet sein, den Gradienten des Stromflusses mit dem vorgegebenen Schwellwert zu vergleichen. Das vierte Logikgatter kann ferner ausgebildet sein, ein Schaltsignal basierend auf dem Vergleich auszugeben. Beispielsweise kann das vierte Logikgatter ausgebildet sein, den Kondensator (mittels des Schalters) zuzuschalten, wenn der ermittelte Gradient des Stromflusses den vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Denn in diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei dem Stromfluss um einen unerwünschten Überstrom oder Kurzschlussstrom handelt. Durch Zuschaltung des Kondensators schmilzt der Schmelzkörper schneller und die Schmelzsicherung löst schneller aus. Der Überstrom oder Kurzschlossstrom wird dadurch schneller (als bei einer entsprechenden herkömmlichen Schmelzsicherung mit gleichem Nennstrom) vom Verbraucher getrennt.
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Die Logikschaltung kann ein fünftes Logikgatter aufweisen. Das fünfte Logikgatter kann ausgebildet sein, den Kondensator basierend auf einem Vergleich des Schaltsignals mit einem Aktivierungssignal zuzuschalten oder abzuschalten. Das fünfte Logikgatter kann beispielsweise als UND-Gatter ausgebildet sein. In diesem Fall wird der Kondensator nur zugeschaltet, wenn sowohl das Schaltsignal als auch das Aktivierungssignal einen hohen Pegel (z.B. den digitalen Wert „1“) annehmen.
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Ferner wird ein Verfahren zur Steuerung der Logikschaltung vorgeschlagen. Das Verfahren kann die zuvor in Bezug auf die Logikschaltung beschriebenen Merkmale und Details umfassen.
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Die vorliegende Offenbarung soll weiter anhand von Figuren erläutert werden. Diese Figuren zeigen schematisch:
- 1 ein Beispiel für eine Schmelzsicherung;
- 2 ein Beispiel für eine Schaltung mit der Schmelzsicherung aus 1;
- 3a bis 3c zwei Varianten eines Ausführungsbeispiels einer Schmelzsicherung;
- 4a bis 4c die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels der Schmelzsicherung aus 3a bis 3c in einer Schaltung;
- 5 ein Beispiel für eine Ansteuerung der Schmelzsicherung aus 3a bis 3c bzw. 4a bis 4c; und
- 6 ein Beispiel für eine Ansteuerung der Schmelzsicherung aus 3a bis 3c bzw. 4a bis 4c.
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Im Folgenden werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, spezifische Details dargelegt, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu liefern. Es ist einem Fachmann jedoch klar, dass die vorliegende Offenbarung in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann, die von den nachfolgend dargelegten Details abweichen können. Beispielsweise werden im Folgenden spezifische Konfigurationen und Ausgestaltungen beschrieben, die nicht als einschränkend anzusehen sind.
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1 zeigt schematisch eine Schmelzsicherung 1. Die Schmelzsicherung 1 weist als Sicherungskörper beispielhaft einen Kolben 2, beispielsweise einen Glaskolben, auf. In dem Kolben 2 befindet sich als Schmelzkörper 3 beispielhaft ein Schmelzdraht. Auf beiden Seiten des Kolbens 2 befindet sich jeweils eine als Kontakt dienende Metallhülse 4.
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In 2 ist beispielhaft eine Schaltung mit einer Schmelzsicherung 1 aus 1 gezeigt. In der Schaltung aus 2 sind eine Spannungsquelle 5 und ein Verbraucher 6 vorgesehen. Die Spannungsquelle 5 und der Verbraucher 6 sind über die Schmelzsicherung 1 miteinander verbunden. Dadurch wird der Verbraucher 6 über die Schmelzsicherung 1 vor Überströmen und Kurzschlussströmen gesichert. Bei dem Verbraucher kann es sich um jegliche Form von Verbraucher/Last handeln, die über eine Leitung mit Sicherung abgesichert werden müssen. Dies können Verbraucher/Lasten einer Industrieanlage oder eines Fahrzeugs sein, wie z.B. eines Kraftfahrzeugs, eines Luftfahrzeugs oder eines Raumfahrzeugs.
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Die 3a, 3b und 3c zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Schmelzsicherung als Schnittansicht. Anhand dieser Figuren werden der Aufbau und die Geometrien der Schmelzsicherung 10 und des Schmelzkörpers 20 beispielhaft und schematisch dargestellt. Die 3a zeigt einen Schnitt längs der Längsachse des Schmelzkörpers 20. Die 3b und 3c zeigen jeweils eine mögliche Realisierung der Schmelzsicherung aus 3a, jeweils als einen Schnitt quer zu der Längsachse des Schmelzkörpers 20. In der ersten Variante gemäß 3b weist die Schmelzsicherung 10 einen Plattenkondensator auf. In der zweiten Variante gemäß 3c weist die Schmelzsicherung 10 einen Zylinderkondensator auf.
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Wie in 3a zu sehen, weist die Schmelzsicherung 10 einen Schmelzkörper 20 und einen Kondensator 30 auf. Der Kondensator 30 ist - in radialer Richtung der Schmelzsicherung 10 - außerhalb des Schmelzkörpers 20 oder um den Schmelzkörper 20 angeordnet. In 3a ist das Bezugszeichen 30 doppelt vorhanden, bezeichnet jedoch hierbei einen einzigen Kondensator, genauer gesagt, die obere Hälfte und die untere Hälfte eines einzigen Kondensators 30. Bei dem Schmelzkörper 20 kann es sich um einen Schmelzdraht, einen Schmelzleiter oder eine andere Art von Schmelzkörper handeln. Ferner sind an den Enden des Schmelzkörpers 20 elektrische Kontakte 22, 24 vorgesehen, über die der Schmelzkörper 20 kontaktiert werden kann. Beispielhaft wird der in 3a linke elektrische Kontakt als erster (elektrischer) Kontakt 22 und der in der 3b rechte elektrische Kontakt als zweiter (elektrischer) Kontakt 24 bezeichnet. Der Kondensator 30 kann in geometrischer Hinsicht verschiedenartig ausgebildet sein. Eine beispielhafte Ausgestaltung (erste Variante) des Kondensators 30 als Plattenkondensator ist in 3b gezeigt. Eine weitere beispielhafte Ausgestaltung (zweite Variante) des Kondensators 30 als Zylinderkondensator ist in 3c gezeigt. Der Kondensator 30 kann auch als eine andere Art von Kondensator ausgebildet sein. Rein zur Veranschaulichung möglicher Geometrien und der Funktionsweise wird im Folgenden zumeist von einer Ausbildung des Kondensators 30 als Plattenkondensator und als Zylinderkondensator ausgegangen. Der Kondensator 30 weist - in radialer Richtung von außen nach innen - elektrische Kontakte/Kontaktflächen 32, 34, und einen Isolator / ein Isolationsmaterial 36 auf. Die elektrischen Kontaktflächen 32, 34 können auch als Kondensatorflächen 32, 34 oder als Kondensatorkontakte 32, 34 bezeichnet werden. Der Kondensator 30 selbst ist radial und axial, bis auf einzelne räumlich begrenzte freie Zugangsflächen für die elektrischen Kontakte 22, 24 des Schmelzkörpers 20 sowie für die elektrischen Kontaktflächen 32, 34 des Kondensators 30, von einem Mantel 40 umhüllt. Durch den Mantel 40 werden der Kondensator 30 und die Schmelzsicherung 10 insgesamt vor äußeren Einflüssen geschützt.
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Die 4a, 4b und 4c zeigen die elektrische Funktionsweise der Schmelzsicherung 10 aus 3a, 3b und 3c. Die nachfolgenden Erläuterungen in Bezug auf 4a bis 4c gelten unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Kondensators, d.h. beispielsweise unabhängig davon, ob der Kondensator 30 als Plattenkondensator (3b) oder als Zylinderkondensator (3c) ausgebildet ist. Beispielhaft ist die Schmelzsicherung 10 extern eingangsseitig mit einer Verbraucherstromquelle 50, z.B. einer Batterie, über einen Verbraucherschalter S1 und mit einer Kondensatorspannungsquelle 60 über einen Hilfsschalter S2 verbunden. Sowohl der Schalter S1 als auch der Schalter S2 können jeweils einen ersten Schaltzustand als auch einen zweiten Schaltzustand annehmen. In einem ersten Schaltzustand ist der Schalter S1 offen. Befindet sich der Schalter S1 in dem ersten Schaltzustand, ist die Verbraucherstromquelle 50 von der Schmelzsicherung 10 getrennt. In einem zweiten Schaltzustand ist der Schalter S1 geschlossen. In dem zweiten Schaltzustand verbindet der Schalter S1 die Verbraucherstromquelle 50 mit der Schmelzsicherung 10. In einem ersten Schaltzustand verbindet der Schalter S2 die Kondensatorfläche 32 mit Masse. In einem zweiten Schaltzustand verbindet der Schalter S2 die Kondensatorfläche 32 mit der Kondensatorspannungsquelle 60. Mit Hilfe der Schalter S1 und S2 kann die Schmelzsicherung 10 in verschiedene Zustände überführt werden, wie dies nachfolgend in Bezug auf die 4a bis 4c noch erläutert werden wird.
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Ausgangsseitig ist die Schmelzsicherung 10 mit einem Verbraucher 70 verbunden. Der Verbraucher 70, die Verbraucherstromquelle 50, die Kondensatorspannungsquelle 60 sowie die elektrische Kontaktfläche 34 sind mit der elektrischen Masse/Erde verbunden. Wie im Folgenden noch erläutert werden wird, kann, mit Hilfe der Anordnung aus 4a bis 4c, der Stromfluss durch den Schmelzkörper 20 konzentriert werden und so die Auslösezeit der Schmelzsicherung 10 verkürzt werden. Generell gilt eine Schmelzsicherung als ausgelöst, wenn diese sich durch den durch den Schmelzkörper 20 fließenden Strom thermisch durch Verlustwärme selbst zerstört hat. Zu diesem Zweck hat der Isolator 36 zum einem die Aufgabe, den Schmelzkörper 20 thermisch zu isolieren, und somit die durch den Strom im Schmelzkörper 20 verursachte Wärme in diesem Bereich zu halten (ggf. zu maximieren), und zum anderen soll der Isolator 36 den Schmelzkörper 20 und die Kontaktflächen 32, 34 des Kondensator 30 elektrisch isolieren. Hinzu wirkt der Isolator 36 auch als Dielektrikum und schwächt entsprechend das elektrische Feld in seinem Bereich. Dadurch kann an den elektrischen Kontaktflächen 32, 34 bei vorgegebener Spannung durch die Kondensatorspannungsquelle 60 eine größere Ladungsmenge angelegt werden. Dies hat zur Folge, dass im Schmelzkörper 20 die ablenkende Wirkung auf die freien Ladungsträger, d.h. unter anderem auf die freien Elektronen 20a, verstärkt wird. Des Weiteren leistet der Isolator 36 auch einen Beitrag zur mechanischen Stabilität der Schmelzsicherung 10.
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Die in den 4a, 4b und 4c dargestellte Beschaltung dient nur der Veranschaulichung der Funktionsweise der Schmelzsicherung 10 und schränkt deren Anwendung im Allgemeinen nicht ein. Die 4a, 4b und 4c stellen verschiedene Zustände der Schmelzsicherung 10 in Abhängigkeit der Schalter S1 und S2 dar. Im Schmelzkörper 20 herrscht generell ein resultierendes Elektrisches Feld (nachfolgend auch kurz „E-Feld“), das sich aus der Überlagerung mehrere einzelner E-Felder zusammensetzen kann. Definitionsgemäß bewirken E-Felder auf Ladungsträger (im Schmelzkörper 20 sind das beispielsweise die freien Elektronen 20a) eine Kraft, mit der sich die Bewegung der freien Ladungsträger beeinflussen lässt. Das resultierende E-Feld in dem Schmelzkörper 20 setzt sich aus der Überlagerung dreier einzelner E-Felder zusammen, die nachfolgend genannt werden. Das erste einzelne E-Feld ist das grundlegenden E-Feld der Umgebung, auch E-Feld-Umgebung genannt, welches bei der vorliegenden Anwendung zu vernachlässigen ist. Das zweite einzelne E-Feld ist das E-Feld, das durch die Spannungsquelle / Verbraucherstromquelle 50, welche den Verbraucherstrom bewirkt, aufgebaut werden kann. Dieses E-Feld wird auch E-Feld-Verbraucher genannt. Dieses E-Feld bewirkt eine Drift-Bewegung (oder anders gesagt, eine Ablenkung) der freien Ladungsträger in Längsrichtung des Schmelzkörpers 20. Das dritte einzelne E-Feld ist das E-Feld des Kondensators 30, welches bewirkt, die Bewegung der freien Ladungsträger, z.B. die freien Elektronen 20a, in Richtung quer zur Längsrichtung des Schmelzkörpers 20 / in Querrichtung des Schmelzkörpers 20 zu beeinflussen. Dieses E-Feld wird auch E-Feld-Kondensator genannt.
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4a zeigt den elektrischen Aufbau mit der Schmelzsicherung 10 in einem Zustand, bei dem im Schmelzkörper 20 als resultierendes E-Feld nur das zu vernachlässigende E-Feld-Umgebung vorherrscht. Dies wird dadurch erreicht, dass der Verbraucherschalter S1 sich in seinem ersten Schaltzustand befindet, d.h. geöffnet ist, und der Hilfsschalter S2 sich in seinem ersten Schaltzustand befindet, d.h. die Kontaktfläche 32 sich gegen elektrischer Masse entladen kann. Die beiden elektrischen Kontaktflächen 32, 34 des Kondensators 30 liegen daher auf gleichem Potential, nämlich auf Massepotential. Es können weder das E-Feld-Verbraucher noch das E-Feld-Kondensator aufgebaut werden, da die Schalter S1 und S2 den dazu notwendigen Fluss an Ladungsträgern (Elektronen) unterbinden bzw. das dazu notwendige Potentialgefällte unterbinden. Als Folge davon verteilen sich die freien Ladungsträger (Elektronen) gleichmäßig im Schmelzkörper 20 und weisen keinen Drift / keine Ablenkung auf.
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4b zeigt den elektrischen Aufbau mit der Schmelzsicherung 10 in einem Zustand, bei dem im Schmelzkörper 20 als resultierendes E-Feld nur das E-Feld-Verbraucher vorherrscht (da das E-Feld-Umgebung zu vernachlässigen ist). Dies wird dadurch erreicht, dass der Verbraucherschalter S1 sich in seinem zweiten Schaltzustand befindet, d.h. geschlossen ist, und der Hilfsschalter S2 sich in seinem ersten Schaltzustand befindet, d.h. die Kontaktfläche 32 sich gegen elektrischer Masse entlädt / die Kontaktfläche 32 auf elektrischer Masse liegt. Das E-Feld-Verbraucher (siehe die zugehörigen elektrischen Feldlinien 30a des E-Feld-Verbrauchers) bewirkt einen Drift / eine Ablenkung der freien Ladungsträger (Elektronen) in Längsrichtung des Schmelzkörpers 20 zum Verbraucher 70. Dadurch kommt es zu einem Stromfluss durch die Schmelzsicherung 10 / durch den Schmelzkörper 20. Anders ausgedrückt kommt es zu einem Stromfluss von der Spannungsquelle / der Verbraucherstromquelle 50 durch die Schmelzsicherung 10 / den Schmelzkörper 20 zu dem Verbraucher 70. Der Schmelzkörper 20 ist an den Seiten mit elektrischen Kontakten 22, 24 kontaktiert, durch die der elektrische Verbraucherstrom eingeprägt wird. Anders ausgedrückt wird, in dem Beispiel aus 4b, dem Schmelzkörper 20 über seine Kontakte/Kontaktflächen 22, 24 von außen (über die Verbraucherstromquelle 50) ein Verbraucherstrom aufgeprägt.
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Die den elektrischen Verbraucherstrom bewirkenden mehreren elektrischen Ladungsträger sind, als freie Elektronen 20a, ebenfalls in 4b zu sehen. Das heißt, im Folgenden wird vereinfachend davon ausgegangen, dass es sich bei den elektrischen Ladungsträgern um negative Ladungsträger, d.h. Elektronen 20a, handelt. Dies entspricht der üblichen Annahme, dass der elektrische Strom einer Bewegung negativer elektrischer Ladungsträger, nämlich Elektronen 20a, entspricht. Der rechte elektrische Kontakt 24 befindet sich auf einem ersten Potential U_K. Der linke elektrische Kontakt 22 befindet sich auf einem zweiten Potential U_V. Die Differenz der Potentiale U_K und U_V ergibt die über der Schmelzsicherung 10 abfallenden Spannung. Aufgrund dieser Spannung bewegen sich die elektrischen Ladungsträger, im gezeigten Beispiel die Elektronen 20a, in dem Schmelzkörper 20 beispielsweise von links nach rechts. Das heißt, in den Beispielen aus 4b und 4c hat der Verbraucherstrom beispielhaft die Richtung von dem ersten Kontakt / der ersten Kontaktfläche 22 zu dem zweiten Kontakt / der zweiten Kontaktfläche 24. Hierbei handelt es sich um die physikalische Stromrichtung der freien Ladungsträger (freie Elektronen 20a). Die sogenannte technische Stromrichtung verläuft entgegengesetzt. Vereinfacht kann auch gesagt werden, dass, beim eingeprägten/anliegenden Verbraucherstrom (Potentialgefälle zwischen U_K und U_V) und ausgeschaltetem Kondensator 30 ( 4b), die elektrischen Ladungsträger, im gezeigten Beispiel die freien Elektronen 20a, sich normal gleichmäßig verteilt (gleichmäßige Verteilung der freien Ladungsträger, d.h. im Beispiel aus 4b der freien Elektronen 20a, in radialer und axialer Richtung) in dem Schmelzkörper 20 oder um die Mittelachse der Schmelzsicherung 10 / des Schmelzkörpers 20 bewegen. Die in 4b gezeigte Verteilung der elektrischen Ladungsträger, d.h. in dem Beispiel aus 4b der freien Elektronen 20a, ist rein beispielhaft und dient lediglich der Illustration.
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4c zeigt den elektrischen Aufbau mit der Schmelzsicherung 10 in einem Zustand, bei dem im Schmelzkörper 20 als resultierendes E-Feld eine Überlagerung der E-Felder E-Feld-Verbraucher und E-Feld-Kondensator vorherrschen (das E-Feld-Umgebung ist wiederum vernachlässigbar). Über den Schalter S2 kann der Kondensator 30 aufgeladen und entladen werden. Befindet sich der Schalter S2 in dem in den 4a und 4b gezeigten ersten Schaltzustand, ist der Kondensator 30 entladen. Befindet sich der Schalter S2 in dem in 4c gezeigten zweiten Schaltzustand, wird der Kondensator 30 aufgeladen, indem die Kontaktfläche 32 mit Hilfe der Kondensatorspannungsquelle 60 auflädt. Bei dem Aufladen werden von der Kontaktfläche 32 des Kondensators Elektronen abgezogen, denn die Kontaktfläche 32 ist mit dem Pluspol der Kondensatorspannungsquelle 60 verbunden. Dadurch wird die Kontaktfläche 32 positiv geladen. Bei dem Aufladen fließen Elektronen zu der / auf die Kontaktfläche 34 des Kondensators, denn die Kontaktfläche 34 ist mit dem Minuspol der Kondensatorspannungsquelle 60 verbunden. Dadurch wird die Kontaktfläche 34 negativ geladen.
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Zuerst soll die Wirkung des Schalters S1 isoliert betrachtet werden. Die Funktionsweise entspricht der Beschreibung der 4b. Physikalisch gesehen wirkt bei geschlossenem Schalter S1 ein elektrisches Strömungsfeld im Schmelzkörper, da die felderzeugende Quelle (die Verbraucher-Stromquelle 50) an ihren Kontakten durchgängig mit elektrisch leitendem Material verbunden ist.
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Als nächstes soll die Wirkung des Schalters S2, bzw. des Kondensators auf den Schmelzkörper isoliert vom Schalter S1 betrachtet werden. Physikalisch gesehen wirkt bei geschlossenem Schalter S2 ein elektrostatisches Feld im Schmelzkörper, da die felderzeugende Quelle (die Kondensator-Spannungsquelle 60) an ihren Kontakten keine durchgängige elektrisch leitende Verbindung hat. Stattdessen wirkt der Isolator 36 unterbrechend auf einen Stromfluss.
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Ist der Kondensator 30 aufgeladen (4c), baut er ein elektrisches Feld auf, welches im Bereich des Schmelzkörpers 20 durch elektrische Influenz kompensiert wird. Die elektrische Influenz ist ein physikalischer Vorgang in einem elektrisch gut leitendem Material (in diesem Fall der Schmelzkörper 20) in dem es unter äußerer Feldeinwirkung (in diesem Fall das E-Feld-Kondensator) zur Ladungstrennung und Ladungsverschiebung im Inneren des Materials kommt. Dieser Vorgang findet solange statt, bis das äußere E-Feld-Kondensator kompensiert wurde. Dies geschieht indem freie Elektronen 20a im Schmelzkörper 20 in Richtung der positiv geladenen Kontaktfläche 32 abgelenkt werden. An der Grenzfläche zwischen Schmelzkörper und Isolator 36 konzentrieren sich diese freien Elektronen an der Oberfläche des Schmelzkörpers 20. Diese freie Elektronen 20a im ausgelenkten Endzustand werden als konzentrierte freie Elektronen 20a bezeichnet. Analog zu diesem Vorgang verschieben sich nun positiv geladene konzentrierte Löcher 20b in Richtung der negativ geladenen Kontaktfläche 34. Da der Schmelzkörper 20 ein guter elektrischer Leiter ist, findet dieser Vorgang der Influenz quasi augenblicklich statt und das E-Feld-Kondensator ist im Inneren des Schmelzkörpers 20 quasi augenblicklich kompensiert. Die elektrischen Feldlinien 30b des kompensierten E-Feldes des Kondensators sind schematisch in 4c angedeutet. Die elektrischen Feldlinien 30b verlaufen von der positiv geladenen Kontaktfläche/Kondensatorplatte 32 zu der negativ geladenen Oberfläche des Schmelzkörpers 20, und von der positiv geladenen Oberfläche des Schmelzkörpers zu der negativ geladenen Kontaktfläche/Kondensatorplatte 34. Anders ausgedrückt, an den zwei elektrischen Kontakten (Kondensatorkontakten) 32, 34 können die elektrischen Potentiale aufgeprägt werden, damit sich das elektrische Feld zwischen den Kontakten/Kondensatorplatten 32, 34 ausbildet. Der Isolator 36 reduziert die Kopplung zwischen dem Schmelzkörper 20 und den Kondensatorkontakten 32, 34 sowohl elektrisch als auch thermisch. Der untere/erste Kontakt 34 der zwei elektrischen Kontakte/Kontaktstellen/Kontaktflächen 32, 34 ist beispielhaft mit Masse/Erde verbunden. Der obere/zweite Kontakt 32 der zwei elektrischen Kontakte/Kontaktstellen/Kontaktflächen 32, 34 ist mit einem Hilfspotential U_H verbunden. Das Hilfspotential U_H kann, wie erläutert, durch die Kondensatorspannungsquelle 60 bereitgestellt werden. Diese Potentialaufprägung (die Aufprägung des Hilfspotentials U_H) kann, wie zuvor skizziert, mit Hilfe des Schalters S2 gesteuert werden. Bei Unterbrechung der Aufprägung des Hilfspotentials U_H mit Hilfe des Schalters S2 befinden sich beide Kontaktflächen/Kondensatorplatten 32, 34 auf Massepotential und können das E-Feld im Schmelzkörper 20 nicht beeinflussen (siehe 4b).
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Zusammengefasst lässt sich sagen, dass sowohl die Ablenkung der freien Ladungsträger, d.h. der freien Elektronen 20a und der Löcher 20b, als auch die Konzentration der Ladungsträger an der Oberfläche des Schmelzkörpers 20, z.B. des Schmelzleiters, nun dadurch erreicht wird, dass der Hilfsschalter S2 die Kontaktfläche 32 mit Hilfe der Kondensatorspannungsquelle 60 auflädt. Dadurch kommt es, wie beschrieben, aufgrund der Influenz zu einem kurzfristigen ausgleichenden Stromfluss der freien Ladungsträger, z.B. der freien Elektronen 20a, in Richtung der Kondensatorplatte 32 und analog dazu der Löcher in Richtung der Kondensatorplatte 34. Die Ausgleichsbewegung(en) der Ladungsträger (Elektronen und Löcher) findet/finden quer zu der Längsachse des Schmelzkörpers 20 statt und endet/enden an dessen Oberfläche. Im Endzustand hat sich ein Teil der Ladungsträger des Schmelzkörpers 20 an der Oberfläche konzentriert. Der Anteil der konzentrierten Ladungsträger (konzentrierte freie Elektronen 20a und konzentrierte Löcher 20b) an der Gesamtmenge der Ladungsträger im Schmelzkörper hängt von der auf den Kondensatorplatten 32, 34 aufgebrachten Ladungsmenge ab.
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Als nächstes sollen die Wirkungen der Schalter S1 und S2 gesamtheitlich betrachtet werden. In diesem Fall überlagern sich das durch den Schalter S1 gesteuerte elektrische Strömungsfeld und das durch den Schalter S2 gesteuerte elektrostatische Feld.
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Wenn beide Schalter S1 und S2 geschlossen sind, findet ein Stromfluss durch den Schmelzkörper 20 statt. Ein Teil des Flusses ist an der Oberfläche des Schmelzkörpers 20 konzentriert und enthält die konzentrierten freien Elektronen 20a, beispielsweise besteht aus den konzentrierten freien Elektronen 20a und den konzentrierten freien Löchern 20b. Der restliche Teil des Flusses ist auf einen verbliebenen räumlichen Bereich des Schmelzkörpers 20 gleichmäßig verteilt. Der verbliebene räumliche Bereich ist der Bereich, der nicht von den konzentrierten Löchern 20b eingenommen wird. Die Verteilung kann durch die an den Kondensatorplatten 32, 34 aufgebrachte Ladungsmenge gesteuert werden. Im Extremfall befinden sich alle freien Ladungsträger an der Oberfläche des Schmelzkörpers 20.
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Mit dem elektrischen Feld kann daher die Ladungsträgerkonzentration räumlich beeinflusst werden. Durch die Verschiebung der Ladungsträger, wie der freien Elektronen 20a, wird der Strom durch den Schmelzkörper 20 (der aus den bewegten Ladungsträgern, z.B. bewegten Elektronen 20a, besteht/gebildet wird) auf einen möglichst kleinen Bereich / ein möglichst kleines Volumen (im Folgenden Schmelzbereich genannt) im Schmelzkörper 20 konzentriert. In dem Beispiel aus 4c ist der Schmelzbereich ein Bereich in dem oberen Abschnitt des Schmelzkörpers 20 und insbesondere in einem Bereich oberhalb der Längsachse/Mittelachse des Schmelzkörpers 20 / der Schmelzsicherung 10. Durch die räumliche Konzentration der frei beweglichen Ladungsträger, z.B. frei beweglichen Elektronen 20a, steigt die Verbraucherstromdichte in dem entsprechenden Schmelzbereich oder den entsprechenden Schmelzbereichen. Da die Verlustleistung, die zur thermischen Zerstörung beiträgt, quadratisch mit dem Strom / der Stromdichte ansteigt (quadratisch vom Strom / der Stromdichte abhängt), sinkt die notwendige Zeit bis zur thermischen Zerstörung des Schmelzmaterials in dem entsprechenden Schmelzbereich. Folglich kann der betroffene Schmelzbereich schneller thermisch zerstört werden. Kurz gesagt, die räumliche Konzentration des Stroms in einem kleineren Bereich des Schmelzkörpers führt lokal zu einer schnelleren thermischen Zerstörung des Schmelzmaterials.
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Nach der partiellen Zerstörung weitet sich dieser Prozess auf die benachbarten Gebiete im Schmelzkörper 20 aus, und setzt sich solange fort, bis der Stromfluss im Schmelzkörper 20 komplett unterbrochen ist. Der räumlich konzentrierte Zerstörungsprozess des Schmelzkörpers läuft im Vergleich zu einer herkömmlichen Schmelzsicherung zeitlich schneller ab, da der Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und Auslösezeit der Schmelzsicherung 10 nichtlinear ist. Aufgrund dieses nichtlinearen Zusammenhangs wird der Schmelzkörper 20 schneller geschmolzen, wenn zunächst ein kleinerer Schmelzbereich von dem Verbraucherstrom (den bewegten Ladungsträgern, z.B. den bewegten Elektronen 20a) durchflossen wird und folgend wiederum ein oder mehrere (noch nicht geschmolzene) kleinere Schmelzbereiche von dem Verbraucherstrom durchflossen werden, als wenn der gesamte Schmelzkörper 20 zumindest nahezu gleichmäßig/gleichverteilt von dem Verbraucherstrom durchflossen wird.
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Anders ausgedrückt, wenn der Schalter S2 sich in dem zweiten Schaltzustand befindet, liegt im Kondensator 30 (zwischen den Kontaktflächen/Kondensatorplatten 32, 34) ein homogenes elektrisches Feld an. In diesem Feld wirkt auf die Ladungsträger, z.B. die Elektronen 20a, eine Kraft (Coulombsches Gesetz). Freie Ladungsträger, und hierbei von Interesse vor allem die freien Ladungsträger, z.B. freien Elektronen 20a, des elektrischen Verbraucherstroms durch den Schmelzkörper 20, werden - je nach Richtung des elektrischen Felds - entsprechend der Kraft in Richtung eines der Kondensatorkontakte 32, 34 abgelenkt und konzentrieren sich räumlich entsprechend an diesen Stellen. Das elektrische Feld und damit die Kraft auf die Ladungsträger, z.B. die Elektronen 20a, kann durch bauliche und steuernde Maßnahmen beeinflusst werden, wie z.B. den Abstand zwischen den Kontakten 32, 34, z.B. Metallkontakten, des Kondensators 30 voneinander, die Fläche der Kontakte 32, 34, z.B. Metallkontakte, des Kondensators 30 und/oder die Höhe des Hilfspotentials U_H. Auch muss der untere Kontakt 34 nicht mit Masse verbunden sein sondern es kann ein beispielsweise geringes und insbesondere geringeres Potential als das Hilfspotential U_H aufgeprägt werden. Das elektrische Feld ergibt sich dann entsprechend aus der Differenz der Potentiale (der Differenz des Hilfspotentials U_H und des geringeren Potentials). Die Ausgestaltung, bei dem der untere Kontakt 34 mit Masse verbunden ist, ist jedoch eine einfache und zweckmäßige Ausgestaltung.
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Die Schmelzsicherung 10 kann somit verschiedene Zustände annehmen. In einem Zustand mit abgeschaltetem Kondensator 30 (kurz abgeschalteter Zustand) gemäß 4b wirkt die Schmelzsicherung 10 wie eine einfache herkömmliche Schmelzsicherung und besitzt daher die gewünschte Trägheit (z.B. beim Aufstarten eines Verbrauchers). In einem Zustand mit zugeschaltetem Kondensator 30 (kurz zugeschalteter Zustand) gemäß 4c wird das gesamte Sicherungselement 10 flinker.
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Der Schalter S2 kann unter Berücksichtigung verschiedener Parameter von seinem ersten Schaltzustand in seinen zweiten Schaltzustand überführt werden und umgekehrt. Zwei Varianten hierfür zur Ansteuerung der Schmelzsicherung 10 sind in den 5 und 6 gezeigt. Die genaue Ausgestaltung des Schalters S2, beispielsweise ob als mechanischer oder elektronischer Schalter ausgebildet, ändert nichts an den grundsätzlichen, folgenden Erläuterungen.
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Der Schalter S2 kann direkt durch eine Logik L1 angesteuert werden, wie dies in 5 gezeigt ist. Hierfür kann die Logik ein Schaltsignal (S2_ein/aus) ausgeben. In Abhängigkeit des Werts/Pegels des Schaltsignals S2_ein/aus nimmt der Schalter S2 den ersten oder zweiten Schaltzustand ein. Befindet sich das Schaltsignal S2_ein/aus auf einem ersten Pegel, wie beispielsweise einem tiefen Pegel / Low-Pegel (logische oder digitale „0“), befindet sich der Schalter S2 in dem ersten Schaltzustand oder der Schalter S2 schaltet in den ersten Schaltzustand. In dem ersten Schaltzustand legt der Schalter S2 die Kondensatorfläche 32 beispielsweise auf Masse. Befindet sich das Schaltsignal S2_ein/aus auf einem zweiten Pegel, wie beispielsweise einem hohen Pegel / High-Pegel (logische oder digitale „1“), befindet sich der Schalter S2 in dem zweiten Schaltzustand oder der Schalter S2 schaltet in den zweiten Schaltzustand. In dem zweiten Schaltzustand verbindet der Schalter S2 die Kondensatorfläche 32 beispielsweise mit der Kondensatorspannungsquelle 60. Dadurch sind der Kondensator 30 und somit das elektrische Feld durch die Logik L1 zuschaltbar.
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Alternativ kann der Schalter S2 über zwei Anschlüsse verfügen, die von der Logik L1 angesteuert werden. Diese zwei Anschlüsse können als erstes Signal ein Schaltsignal S2_ein/aus, wie es zuvor beschrieben wurde, und als zweites ein Aktivierungssignal S2_enable erhalten. Befindet sich das Aktivierungssignal S2_enable auf einem ersten Pegel, wie beispielsweise einem Low-Pegel (logische oder digitale „0“), befindet sich der Schalter S2, unabhängig von dem Pegel des Signals S2_ein/aus, in dem ersten Schaltzustand. Befindet sich das Aktivierungssignal S2_enable auf einem zweiten Pegel, wie beispielsweise einem High-Pegel (logische oder digitale „1“), kann sich der Schalter S2 abhängig von dem Pegel des Signals S2_ein/aus in dem ersten (z.B. bei einem Low-Pegel des Schaltsignals S2_ein/aus) oder dem zweiten Schaltzustand (z.B. bei einem High-Pegel des Schaltsignals S2_ein/aus) befinden. Alternativ kann der Schalter S2 als Steuersignal ein Signal erhalten, das durch Verknüpfung des Schaltsignals S2_ein/aus und des Aktivierungssignals S2_enable entstanden ist.
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In 6 ist eine beispielhafte Variante einer Ansteuerung des Schalters S2 dargestellt. Bei dieser Variante ist die Logik L1 optional mit einer Erkennung von Strömen und Stromgradienten ausgestattet. Mit dieser Fähigkeit kann ein Kurzschluss eines Verbrauchers detektiert werden. Das elektrische Feld wird dann dementsprechend zugeschaltet oder abgeschaltet.
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Das heißt, der Schalter S2 kann mit einer solchen erweiterten Logik angesteuert werden, wie sie beispielhaft in 6 dargestellt ist. Mit der Logik aus 6 können situationsbedingt Kurzschlüsse erkannt werden. Die Logik-Steuerung L1 hat zwei Ausgänge und gibt dementsprechend zwei Ausgangssignale aus, nämlich das Aktivierungssignal S2_enable und das Schaltsignal S2_ein/aus. Diese beiden Signale sind über ein UND-Gatter G5 miteinander verknüpft. Befindet sich das Aktivierungssignal S2_enable auf einem tiefen Pegel (logische „0“; S1_enable = 0), nimmt das Ausgangssignal des UND-Gatters G5, das Steuersignal S2_steuer, generell einen tiefen Pegel an, d.h. dann ist der Schalter S2 wegen des UND-Gatters G5 generell in seinem ersten Schaltzustand, unabhängig von dem Pegel des Schaltsignals S2_ein/aus. Die Schmelzsicherung 10 arbeitet dann als herkömmliche Schmelzsicherung und weist den trägen Auslösecharakter (z.B. für Aufstarten eines Verbrauchers im normalen Betriebszustand) auf. Wenn das Aktivierungssignal S2_enable einen hohen Pegel annimmt (logische „1“; S2_enable = 1), dann ändert sich der Pegel des Steuersignals S2_steuer abhängig von dem Pegel des Schaltsignals S2_ein/aus. Befindet sich das Schaltsignal S2_ein/aus auf einem ersten Pegel, wie beispielsweise einem Low-Pegel (logische oder digitale „0“), nimmt das Steuersignal S2_steuer einen tiefen Pegel an, d.h. der Schalter S2 ist in dem ersten Schaltzustand. Befindet sich das Schaltsignal S2_ein/aus auf einem zweiten Pegel, wie beispielsweise einem High-Pegel (logische oder digitale „1“), nimmt das Steuersignal S2_steuer einen hohen Pegel, d.h. der Schalter S2 ist in dem zweiten Schaltzustand. Dadurch sind der Kondensator 30 und somit das elektrische Feld durch Schließen des Schalters S2 zuschaltbar.
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In dem Beispiel aus 6 wird das Schaltsignal S2_ein/aus auf eine spezielle Weise gebildet, nämlich über eine Stromgradientenerkennung für den Verbraucher. Die genaue Funktionsweise dieser beispielhaften Ausgestaltung aus 6 wird im Folgenden beschrieben.
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Das Logik-Gatter G1 berechnet durch Differenzbildung die Spannung U_D, welche am Schmelzkörper 20 anliegt / welche über dem Schmelzkörper 20 abfällt. Dazu werden die Klemmspannung U_K und die Verbraucherspannung U_V voneinander subtrahiert. Das Logik-Gatter G1 gibt als Ausgang das Differenzsignal U_D aus. Beispielsweise kann die kleinere der genannten Spannungen von der größeren dieser Spannungen abgezogen werden. Alternativ kann das Logik-Gatter G1 mit einer Komponente ausgestattet sein, welche den Betrag der Subtraktion ermittelt, um einen positiven Ausgangswert auszugeben. Unabhängig von der genauen Berechnung der Differenzspannung U_D entspricht die Differenzspannung U_D der über der Schmelzsicherung 10 abfallenden Spannung.
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Das Logik-Gatter G2 berechnet aus der Differenzspannung U_D den Strom I_D durch die Schmelzsicherung 10. Dieser Strom I_D wird durch Division der Größe U_D durch den Widerstand R der Schmelzsicherung 10 oder des Schmelzkörpers 20 berechnet. Falls notwendig, wird der Widerstandswert R temperaturkompensiert. Ist der Verbraucher ohne Parallelschaltungen weiterer Elemente hinter die Schmelzsicherung 10 geschaltet, entspricht der Strom I_D durch die Schmelzsicherung 10 dem Verbraucherstrom. Dies wird im Folgenden vereinfachend angenommen.
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Das Logik-Gatter G3 berechnet aus dem Verbraucherstrom I_D den Stromgradienten des Verbraucherstroms I_D. Dazu wird die Größe I_D nach der Zeit differenziert. Der Stromgradient erlaubt eine Aussage über die Steigung des Verbraucherstroms, d.h. die Zunahme / Abnahme des Verbraucherstroms I_D über der Zeit.
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Das Logik-Gatter G4 vergleicht den Stromgradienten des Verbraucherstroms I_D mit einem Schwellwert, der durch die Logik-Steuerung L1 vorgegeben wird oder anhand von Größen der Logik-Steuerung L1 bestimmbar ist. Dieser Stromgradienten-Schwellwert ergibt sich durch zeitliche Differenzierung eines von der Logik-Steuerung vorgegebenen Schwellwert-Stroms I_S. Dieser Strom I_S wird nach der Zeit differenziert. Das Ergebnis der Differenzierung wird als Stromgradienten-Schwellwert in das Logik-Gatter G4 eingegeben. Dies ist in 5 als Zweig mit dem Element dI_S/dt dargestellt, welcher den Stromgradienten-Schwellwert für den Komparator G4 liefert.
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Unabhängig von der genauen Bereitstellung des Stromgradienten-Schwellwerts bestimmt das Logik-Gatter G4 aus dem Vergleich des Stromgradienten des Verbraucherstroms I_D mit dem Stromgradienten-Schwellwert das Schaltsignal S2_ein/aus. Wenn der Schwellwert von dem Stromgradienten des Verbraucherstroms I_D überschritten wird, wird das Schaltsignal S2_ein/aus auf einen hohen Pegel (digitale „1“) gesetzt. Wenn der Schwellwert von dem Stromgradienten des Verbraucherstroms I_D nicht überschritten wird, wird das Schaltsignal S2_ein/aus auf einen tiefen Pegel (digitale „0“) gesetzt. Das Logik-Gatter G5, genauer gesagt das UND-Gatter G5, verknüpft das Schaltsignal S2_ein/aus und das Aktivierungssignal S2_enable, liefert als Ausgang das Steuersignal S2_steuer und erlaubt somit die situationsbedingte Zuschaltung des elektrischen Feldes durch den Schalter S2. Auch hier gilt wieder, nur wenn sowohl das Schaltsignal S2_ein/aus als auch das Aktivierungssignal S2_enable einen hohen Pegel aufweisen, gibt das UND-Gatter G5 als Ausgang einen hohen Pegel für das Steuersignal S2_steuer aus. Bei einem hohen Pegel des Steuersignals S2_steuer schaltet der Schalter S2 in den zweiten Schaltzustand oder bleibt der Schalter S2 in dem zweiten Schaltzustand. In den anderen Konstellationen für das Schaltsignal S2_ein/aus und das Aktivierungssignal S2_enable (d.h. wenn zumindest eines dieser Signale einen tiefen Pegel hat/annimmt), schaltet der Schalter S2 in den ersten Schaltzustand oder bleibt der Schalter S2 in dem ersten Schaltzustand
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Zusammengefasst heißt das, dass mit dem Schalter S2 das zusätzliche elektrische Feld quer zu der Längsrichtung des Schmelzkörpers 20 zu- und abgeschaltet werden kann. Dieser Schalter S2 wird durch eine Logik L1 beispielsweise direkt angesteuert (siehe 5). Einen speziellen Anwendungsfall zeigt 6. Mit dieser Logikschaltung aus 6 können Ströme und Stromgradienten detektiert und bei der Steuerung des Schaltvorgangs des Schalters S2 berücksichtigt werden. Eine der Logik L1 nachgeschaltete oder als Teil der Logik L1 vorgesehene Komparatorschaltung steuert dementsprechend den Schalter S2 an.
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Die beschriebene Schmelzsicherung 10, die auch als feldverstärkte Schmelzsicherung 10 bezeichnet werden kann, kann daher, wenn gewünscht, flinker sein als herkömmliche Schmelzsicherungen. Diese Eigenschaft ist auf das ladungskonzentrierende elektrische Feld, das bei Bedarf zugeschaltet werden kann, zurückzuführen. Situationsbedingt kann die feldverstärkte Schmelzsicherung 10 auch trägen Charakter aufweisen. In diesem Fall ist das zusätzliche elektrische Feld an der Schmelzsicherung 10 abgeschaltet.
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Im Vergleich zu anderen, ebenfalls schneller als herkömmliche Schmelzsicherungen auslösenden Schaltelementen auf Halbleiterbasis sind die Verlustleistungen der hierin beschriebenen Schmelzsicherung 10 geringer und die Komplexität ist geringer. Der Aufbau eines elektrischen Felds, wie dies bei der hierin beschriebenen feldverstärkten Schmelzsicherung 10 geschieht, ist hinsichtlich der Kriterien Einfachheit des Aufbaus, Kosten und Verlustleistung vorteilhaft/besser als bei derartigen Schaltelementen auf Halbleiterbasis.
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Die Verwendung eines elektrischen Felds ist einfach und präzise. Würde ein magnetisches Feld verwendet, so würde die Aufrechterhaltung eines magnetischen Feldes einen kontinuierlich fließenden Strom voraussetzen. Diese Tatsache steigert wiederum die Verlustleistung, Komplexität und Kosten im Allgemeinen. Die vorgesehen elektrostatische Feldverstärkung ist hingegen optimaler.
