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Elektrische Sicherwis schaltung; Die Erfindung betrifft eine elektrische
Sicherung, insbesondere eine selektiv arbeitende Sicherung mit grosser Toleranz
für starke, z. B. impulsartig auftretende Ströme-kurzer Dauer.
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Eine zufriedenstellende Sicherung dieser Art ist bisher nicht bekannt,
aber für viele Anwendungszwecke wunschenswert. Beispielsweise ist es günstig, Vorrichtungen
oder Schaltungen mit durch die Entladung von Kondensatorengruppen erzeugten elektrischen
Impulsen hoher Energie mit einer Sicherung auszustatten, die die charakteristischen
hohen Stromstösse kurzer Dauer durchlässt, aber wesentlich niedrigere Ströme längerer
Dauer unterbricht, da langfristige Ströme selbst niedrigerer Energie meist einen
Fehler in der Schaltung, z. B. einen teilweisen Kurzschluss oder dergl., bedeuten.
Zwar können auch bekannte, mit einem Schmelzdraht arbeitende Sicherungen thermisch
träge ausgelegt werden und bis zu einem gewissen Grade zwischen kurzen Stromimpulsen
und langristigen niedrigen Stromstärken unterscheiden. Die Zuverlässigkeit derartiger
Sicherungen
ist jedoch äusserst unbefriedigend, insbesondere wenn verschiedene Wellenformen
auftreten. Ausserdem arbeitendiese Sicherungen mit konstantem Strom/Zeiteparameter,
sodass zumindest über einen erheblichen Arbeitsbereich der Sicherung bei einem einer
Hyperbelfunktion entsprechendem Strom/Zeitverhältnis nur eine charakteristische
Strom/Zeit quantität durchgelassen wird. Bei Abweichungen von der hyperbelförmigen
Funktion sind die Sicherungen dagegen unbrauchbar.
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Aufgabe der Erfindung ist'eine elektrische Sicherungsschaltung mit
zeitabhängiger Stromtoleranzkennlinie und selektivem Durchlass kurzzeitiger starker
Ströme aber Unterbrechung wesentlich niedrigerer Stromstärken längerer Dauer, die
auch bei Auftreten verschiedener Wellenformen und Abweichungen von der Hyperbelfunktion
des Strom/Zeitverhältnisses zuverlässig arbeitet.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein mit Anschlüssen in Reihe
liegender, nicht-linearer Leiter eine von weiterer Zunahme der Stromstärke praktisch
unabhängige, vorgewählte Maximalspannung auf einen an ihn angeschlossenen Integrator
gibt, der ein dem Zeitintegral des Spannungsabfalls entsprechendes Signal erzeugt,
und ein mit dem Integratorausgang verbundener Aktivator bei Erreichen einer vorgewählten
Signal schwelle den StroMkreis zwischen dem Leiter und den Anschlüssen unterbricht.
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Bein Stromdurchfluss durch die Diode entsteht hierbei ein zur Stroh
nicht-lineares Spannungsgefälle; bei ständig ansteigendem Stroh entsteht also nach
Erreichen einer vorgewählten Maxisalspannung kein weiterer Spannungsanstieg, d.
h. die Matimalspannung ist von der Stromstärke unabhängig. Da der Schalter bzw.
Aktivator den Stromkreis nur nach Erreichen eines Schwellenwerts des Zeitintegrals
der Diodenspannung unterbricht, lässt die Sicherungsschaltung kurzzeitige aber sehr
starke Ströme dadurch, während wesentlich niedrigere Stromstärken längerer Dauer
unterbrochen werden. Die Schaltung arbeitet also in hohem Grade selektiv. Die Toleranzkurve
ist einstellbar und zeigt ein sich Unendlich näherndes Stroiniveau bei abnehmenden
Zeitwerten.
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Die Schaltung ist besonders günstig als Sicherung für eine Gruppe
von Entladungskondensatoren verwendbar.
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Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
die Figur 1 ein vereinfachtes Schaltscheea des grundsätzlichen Aufbaus der Schaltung;
die Figuren 2, 5 und 6 bein Betrieb einer @rfindungsgemässen Schaltung beispielsweise
auftretende Wellenformen; die Figur 3 in graphischer Darstellung einen Vergleich
der zeitabhängigen Stromtoleranzkurven der vorliegenden Erfindung und einer bekannten
Schmelzdrahtsicherung;
die Figur 4 ein Schalt schema einer bevorzugten
Ausführungsform.
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In der Schaltung der Figur 1 sind zwischen die einer gewöhnlichen
Sicherung entsprechenden Anschlüsse 10 und 12 die beiden parallelen, entgegengesetzt
gepolten Dioden 14, 16 und ein normalerweise geschlossener Schalter 18 gelegt. Parallel
zu den Dioden ist ein Integrator 20 ait seinen Eingang an diese, und mit seinem
Ausgang 24 an den Anschluss 26 eines auf eine Schwellenspannung ansprechenden Aktivators
28 angeschlossen.
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Der Integrator erzeugt ein dem Zeitintegral der Diodenspannung Vd
entsprechendes Signal, das bei Erreichen des Schwellenwerts den Aktivator betätigt,
der eeinerseits über eine Verbindung 30 den Schalter 18 öfftet. Bei Inbetriebnahme
der Schaltung fliesst ein Strom 1 in beiden Richtungen zwischen den Anschlüssen
10 und 12 und erzeugt Je nach der Stromrichtung in einer Diode 14 oder 16 in Durchflussrichtung
einen ßpannungsabfall VdO Dieser nimmt entsprechend der Kennlinie mit stei-Sender
Stromstärke bis zu einem Maximalwert zu und bleibt dann praktisch unbeeinflusst.
Nach Integration des Spannungsabfalls durch den Integrator 20 tritt an seinem Ausgang
24 ein dem Integral # Vd dt oder annähernd dem Produkt aus Zeit und Vd entsprechendes
Signal auf. Sobald dieses einen vorgewählten Schwellenwert erreicht, spricht der
Aktivator 28 an und öffnet über die Verbindung 30 den Schalter 18, so dass der Stroinfluss
zwischen den Anschlüssen 10 und 12 unterbrochen wird.
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Grundsätzlich ist auch eine einzelne Diode ausreichend. Der Stromfluss
I ist dann aber auf eine Richtung beschränkt. Die aus zwei Dioden 14, 16 bestehende
Anordnung ist daher ganabiger und gestattet beispielsweise Ladungs- und Sntladungsvorgänge.
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Zum weiteren Verständnis sei auf die beispielhaften Wellenformen Ii,
I2 und 13 der Figuren 2, 5 und 6 hingewiesen.
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Stromstärke und Spannung sind auf der Senkrechten, die Zeit ist auf
der x-Aahse abgetragen. Die Wellenform I1 der Figur 2 entspricht z. B. dem Strom
I(+) der Schaltung der Figur 1 mit einem schnell ansteigenden und nach Erreichen
einer Spitze von 6000 Amp. steil abfallenden Stromimpuls im Zeitintervall o - T10
Zur gedrängten Darstellung ist die Stromkurve unterbrochen, um die Spitze sowie
die niedrigeren Werte in der gleichen Darstellung zusammenzufassen. In der Wellenform
I1 entsprechend einem Diodenspannungsabfall von Vd1 wird bei etwa 2 V ein Plateau
erreicht, dass sich auch bei mehreren 1000 Amp. nicht mehr ändert.
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In der Wellenform I2 mit niedrigem Stromniveau entsprechend der Figur
5 wird ein durch die Eingangsimpedanz des Integrators 22 bestimmtes, zur Stromstärke
I2 lineares Spannungsniveau erreicht. Eine mittlere, einer in der Schaltung auftretenden
Störung entsprechende Wellenform I) ist in der Figur 6 dargestellt. Die Spannung
Vd3 steigt hier bis auf etwa 1,5 V an und weicht von einem linearen Verhältnis mit
I3 etwas ab.
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Zur Betätigung des Schalters 18 muss wie erwähnt ein best inter Schwellenwert
des Zeitinegrals der Diodenspannung Vd erreicht sein, z. B. in den Figuren 2, 5
und 6 durch die dadurch die Wellenformen Vdl Va2 und Vd3 begrenzten Flächen A1,
A2 und AD dargestellt. Die Fläche AD der Figur 6 erreicht diesen Schwellenwert an
der Zeit stelle 32. Zurückblickend kann also festgestellt werden1 dass weder die
Fläche A1 noch die Fläche der Figuren 2 bzw. 5 den erforderlichen Schwellenwert
erreicht. Infolgedessen wird der starke Stromimpuls I1 der Figur 2 durchgelassen,
während ein Strom mit der Kennlinie I7 und einer um mehrere 1000 Amp. geringeren
Stärke unterbrochen wird.
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Darüberhinaus kann die Zeitdauer O-T1 der Wellenform I1 sich der Zeitdauer
T4 - X5 der Wellenform I) annähern; sie darf sie nur nicht übersteigen.
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Im Gegensatz hierzu würde eine gewöhnliche Sicherung in der gesamten
durch die Kennlinie Ii eingeschlossenen Fläche ansprechen, während die erfindungsgemässe
Schaltung den Stromkreis nur in der kleinen Teilfläche A1 unterbricht.
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Für niedrige Stromst@ärken, z. 3. 1 - 3 Amp. ist die Arbeitsweise
der Schaltung entsprechend Figur 1 einer gewöhnlichen Schmelzdrahtaicherung ähnlich.
So ist z. B. in der Figur 6 die durch die Wellenform 13 begrenzte Fläche der durch
die Diodenspannungslinie Vd3 eingeschlossenen Bläche nahezu gleich.
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Die Schaltung der Erfindung zeigtalso einen ausgedehnten Toleranzbereich
für vergleichweise kurze Zeiträume, z. B. O - T1 und eine gewöhnlichen Sicherungen
für längere Zeiträume ähnliche Arbeitsweise.
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Dies ist in der Darstellung der verschiedene Toleranzkurven zeigenden
Figur 6 näher erläutert. Toleranzkurven sind eine Funktion von Stromstärke und Zeit
und sind ein praktischer maßstab für die Sicherungsmerkmale einer Sicherung. Die
Figur 3 zeigt drei derartige Toleranzkurven, und zwar die niedrige Toleranzkurve
34 gewöhnlicher Sicherungen, eine Hochstromtoleranzkurve 36 für bekannte Spezialsicherungen,
und die Toleranzkurve 38 der erfindungsgemässen Bchaltanordnung. Die für die Stromstärke
vorgesehene y-Achse ist auch hier unterbrochen, un die niedrigen und die Spitzenwerte
in der gleichen Darstellung zu zeigen. Die links unten von den Kurven liegenden
Flächen bezeichnen dabei den Toleranzbereich in dem die Bicherung nicht anspricht,
während die rechts oberhalb der Kurven Liegenden Flächen den zur Unterbrechung des
Stromkreises führenden Ansprechbereich darstellen. So lassen z. B. die allen drei
Toleranzkurven 34, 36 und 38 entsprechenden Sicherungen ein. Wellenform itt der
Amplitude 1 und der Zeitdauer T1 durch.
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Dagegen sind die Verhältnisse bei grossen Stromstärken grundsätzlich
verschieden. Während in dem kurzen Zeit intervall O - T1 die Kennlinie 34 einen
festen Maxi@alstrom von etwa 10 Amp. aufweist, ist der Maximalstrom der für die
Sicherung der Erfindung kennzeichnenden Kurve 38 praktisch unbegrenzt.
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Andererseits nähern sich die Toleranzkurven 34 und 38 bei über m hinausgehenden
Zeitintervallen. Die Sicherung der Erfindung lässt also unbegrentt starke Impulse
kurzer Zeitdauer durch, unterbricht dagegen niedrige Ströme die längere Zeit, z.
3. länger als T1 anhalten.
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Der Integrator 20 kann in der verschiedensten Weise aufgebaut sein,
z. B. unter Verwendung eines Verstärkers und Rückkopplungskondensators, oder einer
Drosselspule oder auch eines thermischen Widerstandsements, das dann z. 3. parallel
zu den Dioden 14, 16 geschaltet und in Abhängigkeit von der Spannung Vd erhitzt
wird, u. a. m. Auch der Aktivator kann verschieden und in bekannter Weise ausgebildet
sein.
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Eine günstige Ausgestaltung verwendet z. B. einen Aktivator 28 in
Form eine neben dem Schalter 18 angebrachten Sprengstoffs, der durch das thermische
Widerstandselement gezündet wird. Entsprechend der Figur 4 sind hier z. B. mehrere
Sicherungsschaltungen 40, 42, 44 mit einem aus mehreren Kondensatoren bestehenden
Entladungssystem hintereinander geschaltet. Jede Sicherungsschaltung ist z. 3. entsprechend
der Figur 1 aufgebaut und enthält tls Integrator 20 und Aktivator 28 das thermische
Widerstandselement 46 und den chemischen Sprengstoff 48, der neben dem Widerstandselement
und dem.ßchalter 18 angeordnet ist. Die durch den Diodenspannungsabfall im Widerstand
46 erzeugte Wärmeenergie zündet den sprengstoff 48, sobald der Schwellenwert erreicht
ist. Die entstehende Ezplosionskraft verstellt einen geeigneten Hebel des Schalters
18 und unterbricht damit den Stromkreis.
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Eine besonders günstige Verwendung ist in einer r. B. aus den Kondensatoren
50, 52 und 54 und der Sammelschiene 56 bestehenden Entladungsanordnung gegeben.
Die Sicherung der Erfindung
gestattet die gemeinsame Ladung und
Entladung der Kondensatoren über die Sammelschiene 56 bei gleichzeitigem Einzelschutz
jedes Kondensators bei Auftreten eines Kurasohlusses oder Teilkurzschlusses.
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Bei übermässigem und andauerndem Stromfluss in einem der Kondensatoren
wird der entsprechende Strois unterbrochen, während die übrigen Kondensatoren weiterarbeiten.
Dies vermeidet die sonst hochexplosive Entladung der gesamten Kondensatorengruppe,
die der Explosion einer grdsseren Menge chemischen Sprengstoffs vergleichbar sein
kann und von erheblicher Zerströrungskraft ist. Dazu ist die Hintereinanderschaltung
jeder Sicherungsschaltung 40, 42, 44 mit dem Kondensator und der Sammelschiene erforderlich.
Das ist aber nur dank der erfindungsgemäss erreichten Wirkungsweise der Sicherungsschaltunf
möglich, die den normalen Entladeimpuls durchlässt und nur bei lang anhaltendem
Stromfluss den Stromkreis unterbricht. Der von einem der Kondensatoren auf die Sammelschiene
und die Belastung 58 gegebene Entladeimpuls entspricht z. B. dem Strom impuls I1
der Figur 2 und liegt im Bereich von Kiloamp. bei einer Dauer von einigen Millisekunden.
Bei Auftreten eines Teilkurzschlusses, beispielaweise in dem Kondensator 50, dauert
dagegen der Stromfluss von der Spannungsquelle 62 lange genug an, um das Element
bis über den Schwellenwert zu erhitzen und die Explosion des Stoffs 48 auszulösen
und den Schalter 18 zu öffnen. Die entsprechende Wellenform Ihnelt zl B. der Kennlinie
13. der Figur 6 bei einem Stromniveau von 2 Amp. und einem Zeitintervall
von
einigen Sekunden. Mit einer gewöhnlichen Sicherung mit der Kennlinie 34 würde diese
Wirkung nicht erreicht, da die Toleranz für kurze Zeiträume mit z. B. 10 Amp. viel
zu niedrig ist.
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Nach weiterer günstiger Ausgestaltung der Erfindung kann eine oder
mehrere für ganz besonders hohe Stromstärken ausgelegte Spezialsicherung an die
Sicherungsschaltung angeschlossen werden. So sind z. B. in Hintereinanderschaltung
mit den Sicherungsschaltungen 40, 42, 44 die Sicherungen 63, 64 und 66 vorgesehen.
Hierdurch kann z. 3. von oder zu den einzelnen Kondensat@ren fliessender Strom auf
ein sicheres ladeniveau, a. B. etwa 10.000 Amp. begrenzt werden. Damit wird bei
völligem Kurzschluss eines Kondensators der diesen Wert übersteigende Strom der
übrigen Kondensatoren unterbrochen. Die Toleranzkurve der Sicherungen 63, 64, 66
entspricht z. B. der Kennlinie 36 der Figur 3, 80 dass die Sicherungen erst bei
10.000 Amp. übersteigenden Stromstärken wirksam werden.