DE19727345A1 - Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen elektrischer Geräte bei Kurzschluß oder Überstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen elektrischer Geräte bei Kurzschluß oder Überstrom nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei elektrischen Geräten, die mit Gleichspannung im Niedervoltbereich betrieben werden, sind als Überlastschutz für bestimmte Bauteile, beispielsweise Relais, Motoren, usw., bereits Widerstandselemente bekannt geworden, die eine stromabhängige Widerstandscharakteristik zeigen. Mit zunehmendem Strom und der sich daraus ergebenden Wärme, steigt deren Widerstand nicht linear an. An solchen Widerständen baut sich mit zunehmendem Strom eine entsprechend überproportional hohe Spannung auf. Mit zunehmendem Strom wird so ein wachsender Teil der von dem Gerät aufgenommenen Leistung am Widerstandselement und nicht mehr am zu schützenden Bauteil verbraucht, welches hierdurch geschont wird.

Diese stromabhängigen Widerstände ändern ihren Widerstand abhängig vom durchfließenden Strom zwischen einigen Milliohm bis hin zu einigen Ohm. Die Zeiten, in denen diese Änderungen stattfinden, liegen in der Größenordnung von Sekunden, da die Widerstandsänderung in der Regel aufgrund einer in diesen Zeiträumen zunehmenden Temperatur des Widerstandselementes stattfindet.

Bei elektrischen Geräten, die am Netz einer öffentlichen Stromversorgung mit Wechselspannung betrieben werden, sind insbesondere Schaltelemente, die im Lastkreis des Gerätes angeordnet sind, bei einem Kurzschluß gefährdet. Derartige Schaltelemente, z. B. Relais-Kontakte, Triac, Thyristoren usw., brennen innerhalb des Zeitraums von ca. 5 ms durch, nach deren Ablauf die Haushaltssicherung bei einem Kurzschluß erst zeitversetzt auslöst. Hierbei fließen sehr hohe, kurzzeitige Kurzschlußströme, die bis zu 1500 A und mehr betragen können. Um das Durchbrennen der oben angeführten Schaltelemente zu vermeiden, werden daher Schmelzsicherungen eingesetzt, die bei einem Kurzschluß aufgrund der dabei entstehenden großen Ströme als erstes Bauteil durchschmelzen und somit den Stromkreis unterbrechen. Diese Schmelzsicherungen sind nach ihrem Einsatz zerstört und müssen ausgetauscht werden.

Die Erfindung hat demgegenüber die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Kurzschluß-Sicherung von Bauteilen elektrischer Geräte für Wechselspannungsnetze, insbesondere mit 110 V oder 230 V Wechselspannung, vorzuschlagen, bei der kein Bauteil, wie die obengenannte Schmelzsicherung, durchbrennen kann und somit auch keinerlei Austausch nach einem Kurzschluß notwendig ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, daß ein stromabhängiges Widerstandselement in Reihe mit dem zu schützenden Bauteil geschaltet ist. Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, daß bereits geringfügige Widerstandsänderungen eines solchen stromabhängigen Widerstandselementes genügen, um einen ausreichenden Teil der elektrischen Leistung bzw. Energie, die ansonsten am zu schützenden Bauteil aufgenommen werden muß, am stromabhängigen Widerstandselement aufzunehmen. Diese absolut betrachtet geringfügigen Widerstandsänderungen, die sich zwischen einigen Milliohm und einem Ohm befinden, treten bereits in einem Zeitraum von einer oder mehreren Millisekunden auf, so daß diese Effekte im Kurzschlußfall nutzbar sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein spannungsabhängiges Widerstandselement parallel zum stromabhängigen Widerstandselement geschaltet. Dies hat zur Folge, daß handelsübliche, stromabhängige Widerstandselemente, beispielsweise auf Polymerbasis mit Kohlenstoffeinlagerungen, verwendet werden können, die eine Durchbruchsspannung deutlich unter der effektiven Spannung der Netzspannung aufweisen. Diese stromabhängigen Widerstandselemente werden wie oben angeführt bislang nur für den Einsatz an Niedervolt-Geräten und hauptsächlich im Gleichspannungsbereich hergestellt. Sie sind für Dauerströme von einigen Ampere unter der Angabe eines Maximalstroms von ca. 50 A ausgelegt. Im Normalfall sind derartige Widerstandselemente nahezu widerstandslos, d. h. der Widerstand bewegt sich in der Größenordnung von 10 mΩ bis 20 mΩ. Dieser niedrige Widerstandswert ist sinnvoll, um im Normalbetrieb des Geräts keine unnötige Leistung an der Kurzschluß-Sicherung zu verbrauchen.

Bei einem Kurzschluß im Lastkreis eines Gerätes mit beispielsweise 230 V Wechselspannung befinden sich in der Regel noch weitere sehr kleine Widerstände im Lastkreis. Das Schaltelement, beispielsweise ein Relais-Kontakt, weist einen Widerstand von einigen Milliohm auf, die entsprechenden Übergangswiderstände des verursachenden Kurzschlusses können mit einigen Milliohm angesetzt werden und das stromabhängige Widerstandselement weist beispielsweise 20 mΩ auf. Innerhalb kurzer Zeit steigt aufgrund der schlagartigen Zunahme des Stroms der Widerstand des stromabhängigen Widerstandselements auf über 100 mΩ an. Hierdurch ergibt sich sehr schnell, insbesondere wenn der Kurzschluß in der Nähe des Maximums der Wechselspannung auftritt, ein Spannungsabfall von 100 V bis 200 V am stromabhängigen Widerstandselement. Die handelsüblichen Widerstandselemente, welche die notwendigen hohen Nennströme (1 A bis 20 A) führen können, sind nur bis ca. 50 V bzw. 60 V spannungsfest und werden bei derartigen Betriebsspannungen zerstört.

Durch die Parallelschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandselementes, beispielsweise einem sogenannten Varistor, wird die Spannung, die am stromabhängigen Widerstandselement abfällt, auf einen vorgegebenen Wert begrenzt. Der Varistor, dessen Spannung für seine Leitfähigkeit vorzugsweise so gewählt wird, daß sie die Durchbruchsspannung des stromabhängigen Widerstandselementes nicht übersteigt, wird umso niederohmiger, je näher die angelegte Spannung an diesen Spannungswert für seine Leitfähigkeit gelangt.

Die innerhalb des kurzen Zeitraums von einigen Millisekunden auf zunehmende elektrische Energie wird durch diese Schaltung auf die beiden Bauelemente, den spannungsabhängigen Widerstand sowie den stromabhängigen Widerstand verteilt, indem sich der Strom in die parallel geschalteten Zweige aufteilt. Das stromabhängige Widerstandselement wird dabei durch die Kombination der beiden variablen Widerstandselemente ebenso geschont, wie das Schaltelement.

Auch an diesem Schaltelement wird aufgrund des vorhandenen Restwiderstandes in der Größenordnung von einigen Milliohm ein Teil der anfallenden Energie aufgenommen. Dieser ist jedoch innerhalb der relevanten Zeiträume durch die beschriebene Schutzschaltung derart herabgesetzt, daß die Belastbarkeit des Schaltelementes nicht überschritten wird. In dieser Ausführung stellt sich gewissermaßen ein Gleichgewicht in der Leistungsaufnahme zwischen dem zu schützenden Schaltelement, dem stromabhängigen Widerstandselement sowie dem spannungsabhängigen Widerstandselement ein.

Die Verwendung von Bauelementen, die an sich für den Niedervoltspannungsbereich konzipiert sind, ist nur aufgrund der Kurzzeit-Dynamik im Falle eines Kurzschlusses möglich. Im relevanten Zeitraum zwischen dem Auftreten des Kurzschlusses und dem Auslösen der Haushaltssicherung sind diese variablen Widerstände durchaus in der Lage, kurzzeitig sehr große Stromstöße, auch über 1000 A zu verkraften.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das stromabhängige Widerstandselement in Form eines Kaltleiters ausgebildet. Derartige Widerstandselemente sind im Handel erhältlich und zeigen innerhalb der relevanten Zeitintervalle eine ausreichende strom/Widerstandscharakteristik. Insbesondere ist der Widerstand im Normalbetrieb in der Größenordnung von 10 mΩ-20 mΩ niedrig genug, um einen störungsfreien Betrieb ohne unnötigen Energieverbrauch des entsprechenden Gerätes zu gewährleisten. In einer besonderen Weiterbildung dieser Ausführungsform wird als Kaltleiter hierbei ein Polymer mit eingelagerten Kohleanteilen verwendet, wie sie aus dem Niedervoltbereich bekannt sind.

Als spannungsabhängiges Widerstandselement kann, wie oben angeführt, in vorteilhafter Weise zum Schutz ein Varistor gewählt werden, wie sie im Handel üblich sind. Derartige Varistoren haben sich in Testversuchen bereits bewährt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden das stromabhängige und das spannungsabhängige Widerstandselement in einem Gehäuse vereint. Hierdurch ergibt sich ein Bauteil, das die komplette Kurzschluß-Sicherung enthält. In einer weiteren Fortbildung dieser Ausführungsform werden die beiden variablen Widerstandselemente nicht nur in ein Gehäuse, sondern auf einem Substrat in einem Bauteil integriert.

Vorzugsweise wird zusätzlich eine Auswerteelektronik zur Überwachung der am stromabhängigen Widerstand anliegenden Spannung vorgesehen. Die Größe dieser Spannung ist zugleich ein Maß für den durch das stromabhängige Widerstandselement fließenden Strom. Durch Auswertung dieser Spannung können somit überströme erkannt werden und gegebenenfalls durch Betätigung eines Schaltelementes (Relais, Thyristor, Triac, usw.) abgeschaltet werden.

Besonders vorteilhaft wirkt sich hierbei aus, daß sich aufgrund der widerstandsabhängigen Kennlinie des Bauelementes eine sehr scharfe Grenze zwischen Nennbetrieb und überstrombetrieb ergibt. Im Nennbetrieb ist das Auswert- Signal (Spannung proportional zum Widerstand) klein. Kurz oberhalb des Nennbetriebes, im überstrombetrieb, steigt das Auswert-Signal sprunghaft an und läßt sich so vorteilhaft detektieren.

Als weitere Schutzvorrichtung wird bevorzugt ein weiteres spannungsabhängiges Widerstandselement parallel zu dem zu schützenden Bauteil, insbesondere einem Schaltelement geschaltet. Die Nennspannung dieses Elementes wird dabei bevorzugt geringfügig oberhalb der Netzspannung gewählt. Durch diese Schaltung werden eventuell auftretende Spannungsspitzen vom Schaltelement ferngehalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kurzschluß-Schaltung mit erfindungsgemäßer Vorrichtung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überstromsicherung.

Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 umfaßt einen Wechselspannungsanschluß mit einer Phase 2 und einem Neutralleiter 3, die an eine mit gestrichelten Linien abgegrenzte Schalt- und Sicherungseinheit 4 angeschlossen sind. Die Schalt- und Sicherungseinheit 4 ist in einen Lastkreis 5 zwischengeschaltet, an dem ein Verbraucher 6 angeschlossen ist. Eine Kurzschlußbrücke 7 ist zur Veranschaulichung eines Kurzschlusses am bzw. im Verbraucher 6 eingezeichnet.

Die Schalt- und Sicherungseinheit 4 umfaßt ein Schaltelement 8, mit dem der Lastkreis 5 ein- bzw. ausgeschaltet wird. Es kann sich hierbei um einen Relaiskontakt, einen Triac, einen Thyristor, einen FET oder ähnliche Schalter handeln. Weiterhin umfaßt die Schalt- und Sicherungseinheit 4 zwei parallel geschaltete variable Widerstandselemente, einen stromabhängigen Widerstand 9 sowie einen spannungsabhängigen Widerstand 10, beispielsweise einen Varistor. Zusätzlich zu den beiden variablen Widerstandselementen 9, 10 ist parallel zum Schaltelement 8 ein weiterer spannungsabhängiger Widerstand 11 geschaltet.

Die beiden spannungsabhängigen Widerstandselemente 10, 11 können beispielsweise mit einer Nennspannung von 30 V (Widerstand 10) bzw. 250 V (Widerstand 11) gewählt werden. Der stromabhängige Widerstand kann als handelsübliches Bauteil auf Polymerbasis, beispielsweise mit einem Nennstrom von 3,75 A und einer Durchbruchspannung von 50 V gewählt werden. Die genannten Spannungs- und Stromwerte sind, wie bereits oben angeführt, Werte die für die verwendeten Bauelemente im Dauerbetrieb mit Gleichspannung angegeben sind. Die Belastbarkeit dieser variablen Widerstände 9, 10, 11 im Impulsbetrieb liegt erheblich über dem genannten Stromwert von 3,75 A.

Im Falle eines Kurzschlusses an der Kurzschlußbrücke 7 (bzw. in der Realität im oder am Verbraucher 6 liegen an den Kurzschlußkontakten der Kurzschlußbrücke 7 sowie dem Schaltelement 8, die, wie oben angeführt, Widerstände in der Größenordnung von einigen Milliohm darstellen jeweils eine Spannung entsprechend dem durchfließenden Strom an. Zu diesem Zeitpunkt stellen die spannungsabhängigen Widerstände 10, 11 nahezu unendlich große Widerstände dar (Größenordnung Gigaohm). Der Widerstand des stromabhängigen Widerstandselements 9 liegt bei ungefähr 20 mΩ. Es bildet sich somit eine Spannungsreihe zwischen dem Schaltelement 8, den Kurzschlußkontakten 7 und dem stromabhangigen Widerstand 9.

Mit dem schlagartigen Anstieg des Stroms steigt in einer ausreichend kurzen Zeit der Widerstand des stromabhängigen Widerstandselements 9 an, so daß die an diesem Widerstandselement 9 aufgenommene Energie ebenfalls wächst und die Belastung des Schaltelements 8 beschränkt ist. Gleichzeitig baut sich am stromabhängigen Widerstand 9 eine entsprechende Spannung auf, die aufgrund der Parallelschaltung mit dem spannungsabhängigen Widerstand 10 auch an diesem anliegt. Mit dem Anstieg dieser Spannung sinkt der Widerstand des spannungsabhängigen Widerstandselementes ab, wodurch ein Stromfluß in diesem Zweig zustande kommt. Der stromabhängige Widerstand 9 wird somit vor einer zu hohen Spannung geschützt, die den Widerstand 9 durchbrennen könnte. Die Energieaufnahme ist nunmehr auf die Widerstände 9, 10 sowie die Kontakte des Schaltelements 8 bzw. der Kurzschlußbrücke 7 verteilt.

Bei einem zusätzlich spannungsabhängigen Widerstand 11 parallel zum Schaltelement 8 wird das Schaltelement 8 zusätzlich gegen Spannungsspitzen abgesichert, die beispielsweise durch Induktivitäten bei den im Kurzschluß- Fall auftretenden Stromschwankungen verursacht werden können.

Im Normalbetrieb, d. h. bei intaktem, nicht kurzgeschlossenem Verbraucher ist der Betriebsstrom in einem Bereich, in dem das stromabhängige Widerstandselement 9 am unteren Grenzwert, d. h. bei einigen Milliohm liegt, so daß nur eine sehr kleine Leistung an der Sicherungseinheit verbraucht wird. Weiterhin liegt die Dauerspannung am Schaltelement 8 stets unterhalb der Nennspannung von 250 V des spannungsabhängigen Schaltelementes 11, so daß über den Bypass durch das spannungsabhängige Widerstandselement in der Tat nur Spannungsspitzen, die oberhalb dieser Nennspannung liegen, durch eine entsprechende Stromführung abgefangen werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 beinhaltet die Kurzschluß- Sicherung gemäß Fig. 1. Nunmehr wird jedoch die an der Parallelschaltung, bestehend aus dem stromabhängigen Widerstandselement 9 sowie dem spannungsabhängigen Widerstandselement 10, anliegende Spannung in einer Auswerteelektronik 12 abgefragt und über eine Steuerleitung 13 auf nicht näher dargestellte Weise der Lastkreis 5 unterbrochen bzw. geregelt.

Zur Auswertung der an den als Sicherung dienenden variablen Widerstandselementen 9, 10 anliegenden Spannung ist die nichtlineare Strom/Widerstandscharakteristik und somit auch die nichtlineare Strom/Spannungscharakteristik des Widerstandselements 9 von Vorteil. Das stromabhängige Widerstandselement 9 wird hierzu so dimensioniert, daß bei einem zu erfassenden Wert des Überstroms durch die Auswerteelektronik 12 die Strom/Spannungskennlinie einen steilen Anstieg der anliegenden Spannung abhängig vom durchfließenden Strom zeigt. Hierdurch ergeben sich in dem von der Auswerteelektronik 12 zu überwachenden Strombereich vergleichsweise große Spannungsänderungen, wodurch sich der Strom durch Auswertung der anliegenden Spannung leichter und genauer bestimmen läßt. Damit erhält man einen sehr eng tolerierten Grenzbereich zwischen Nennbetrieb und Überstrombetrieb.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Phase

3

Neutralleiter

4

Schalt- und Sicherungseinheit

5

Lastkreis

6

Verbraucher

7

Kurzschlußbrücke

8

Schaltelement

9

stromabhängiger Widerstand

10

spannungsabhängiger Widerstand

11

spannungsabhängiger Widerstand

12

Auswerteelektronik

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen elektrischer Geräte für Wechselspannungsnetze, insbesondere mit 110 V oder 230 V Wechselspannung und einer Stromführung eines Stroms im Amperebereich, die stromführend an die Netzspannung geschaltet werden, bei Kurzschluß oder Überstrom, dadurch gekennzeichnet, daß ein stromabhängiges Widerstandselement (9) mit dem zu schützenden Bauteil (8) in Reihe geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungsabhangiges Widerstandselement (10) parallel zum stromabhängigen Widerstandselement (9) geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabhängige Widerstandselement (9) ein Kaltleiter ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabhängige Widerstandselement wenigstens teilweise ein Polymer mit eingelagerten Kohleanteilen aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsabhängige Widerstandselement (10) einen Varistor umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabhängige Widerstandselement (9) und das spannungsabhangige Widerstandselement (10) in einem Gehäuse vereint sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabhängige Widerstandselement (9) und das spannungsabhängige Widerstandselement (10) auf einem Substrat in einem Bauteil integriert sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteelektronik (12) zur Überwachung der am stromabhängigen Widerstandselement (9) anliegenden Spannung vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres spannungsabhängiges Widerstandselement (11) parallel zu dem zu schützenden Bauteil (8) geschaltet ist.

10. Elektrisches Gerät für den Betrieb an einem Wechselspannungsnetz, insbesondere bei 110 V bzw. 230 V Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche vorhanden ist.