DE19847209C2 - Schalter mit einem Isolierstoffträger - Google Patents
Schalter mit einem IsolierstoffträgerInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalter mit einem
Isolierstoffträger, an dem ein erster und ein zweiter Außenan
schluß angeordnet sind, sowie einem temperaturabhängigen
Schaltwerk, das in Abhängigkeit von seiner Temperatur zwischen
dem ersten und dem zweiten Außenanschluß eine elektrisch lei
tende Verbindung für einen durch den Schalter zu leitenden
elektrischen Strom herstellt, und ein Schaltorgan, das seine
geometrische Form temperaturabhängig zwischen einer Schließ-
und einer Öffnungsstellung verändert und in seiner Schließstel
lung dem Strom führt, sowie ein Stellorgan umfaßt, das mit dem
Schaltorgan elektrisch und mechanisch in Reihe geschaltet ist,
wobei der erste Außenanschluß mit einer Deckelelektrode verbun
den ist, an der das Stellorgan mit seinem ersten Ende festge
legt ist.
Ein derartiger Schalter ist aus der US 4,636,766 bekannt.
Der bekannte Schalter umfaßt als Schaltorgan ein U-förmiges Bi
metall-Element mit zwei unterschiedlich langen Schenkeln. An
dem langen Schenkel ist ein bewegliches Kontaktteil befestigt,
das mit einem schalterfesten Gegenkontakt zusammenwirkt, der
wiederum mit einem der beiden Außenanschlüsse in elektrisch
leitender Verbindung steht.
Der schalterfeste Gegenkontakt sitzt auf einem flächigen Me
tallboden, an dem der erste Außenanschluß befestigt ist. Auf
dem Metallboden sitzt ein topfartiges Metalloberteil, dessen
Rand als weiterer Außenanschluß ausgebildet ist. Zwischen dem
topfartigen Metalloberteil und dem Metallboden ist das eigent
liche Schaltwerk wie folgt angeordnet:
Der kürzere Schenkel des U-förmigen Bimetall-Elementes ist an dem freien Ende eines als Hebelarm ausgebildeten Stellorganes befestigt, das mit seinem anderen Ende fest mit dem Rand des Metalloberteiles verbunden ist und so mit dem anderen der bei den Außenanschlüsse in elektrisch leitender Verbindung steht. Das Stellorgan ist ein weiteres Bimetall-Element, das so auf das U-förmige Bimetall-Element abgestimmt ist, daß sich die beiden Bimetall-Elemente bei Temperaturänderungen gegensinnig verformen und somit den Kontaktdruck zwischen dem beweglichen Kontaktteil sowie dem gehäusefesten Gegenkontakt erhalten.
Der kürzere Schenkel des U-förmigen Bimetall-Elementes ist an dem freien Ende eines als Hebelarm ausgebildeten Stellorganes befestigt, das mit seinem anderen Ende fest mit dem Rand des Metalloberteiles verbunden ist und so mit dem anderen der bei den Außenanschlüsse in elektrisch leitender Verbindung steht. Das Stellorgan ist ein weiteres Bimetall-Element, das so auf das U-förmige Bimetall-Element abgestimmt ist, daß sich die beiden Bimetall-Elemente bei Temperaturänderungen gegensinnig verformen und somit den Kontaktdruck zwischen dem beweglichen Kontaktteil sowie dem gehäusefesten Gegenkontakt erhalten.
Dieser Schalter ist als Unterbrecher für hohe Ströme gedacht,
die zu einer starken Erwärmung der durchflossenen Bimetall-
Elemente führen, wodurch letztendlich das bewegliche Kontakt
teil von dem festen Gegenkontakt abgehoben wird. Einflüsse der
Umgebungstemperatur werden dabei durch die erwähnte gegensinni
ge Verformung der Bimetall-Elemente kompensiert.
Bei dieser Konstruktion ist vor allem von Nachteil, daß zwei
Bimetall-Elemente benötigt werden, deren Temperaturverhalten
exakt aufeinander abgestimmt sein muß, was konstruktiv aufwen
dig und kostenintensiv zu realisieren ist. Um Fertigungstole
ranzen zu kompensieren, wird der bekannte Schalter nach der
Montage ferner mechanisch justiert, was einen weiteren Nachteil
darstellt.
Da die beiden Bimetall-Elemente geometrisch sehr verschieden
ausgelegt sind, weisen sie außerdem unterschiedliche Langzeits
tabilitäten auf, so daß eigentlich von Zeit zu Zeit eine Nach
justage erforderlich wäre. Dies ist jedoch im Einsatz nicht
mehr möglich, so daß insgesamt die Langzeitstabilität und damit
die Funktionssicherheit zu wünschen übrig läßt.
Ein weiterer Nachteil bei dieser Konstruktion besteht in der
durch das U-förmige Bimetall-Element bedingten großen Bauhöhe.
Schließlich ist bei diesem Schalter noch von Nachteil, daß er
sich nach dem Abkühlen selbsttätig wieder schließt, also keine
Selbsthaltefunktion aufweist, die das erneute Schließen und da
mit Einschalten des durch den Schalter geschützten elektrischen
Gerätes verhindert.
Schalter mit Selbsthaltefunktion sind allgemein bekannt, bei
ihnen wird parallel zu dem temperaturabhängigen Schaltwerk ein
Selbsthaltewiderstand zwischen die beiden Außenanschlüsse ge
schaltet. Im geschlossenen Zustand des Schalters wird der
Selbsthaltewiderstand durch das Schaltwerk elektrisch kurzge
schlossen, so daß er stromfrei ist. Öffnet das Schaltwerk dage
gen, fließt ein Reststrom durch den Selbsthaltewiderstand, der
sich dabei in Abhängigkeit von der angelegten Spannung sowie
seinem Widerstandswert so weit aufheizt, daß er das temperatur
abhängige Schaltwerk auf einer Temperatur oberhalb der An
sprechtemperatur hält, so daß es geöffnet bleibt.
Im Stand der Technik sind eine ganze Reihe von Konstruktionen
für den Selbsthaltewiderstand bekannt, bei denen ein blockför
miger PTC-Widerstand verwendet wird, der verglichen mit einem
keine Selbsthaltefunktion aufweisenden Schalter zu einer Ver
größerung der geometrischen Abmaße führt.
Aus der DE 196 04 939 A1 ist ein temperaturabhängiger Schalter
bekannt, der ein elektrisch leitendes, topfartiges Unterteil
aufweist, in dem ein temperaturabhängiges Schaltwerk angeordnet
ist. Das Unterteil ist durch ein elektrisch leitendes Deckel
teil verschlossen, an dessen Innenseite ein Widerstand angeord
net ist, der einen Endes mit dem Deckelteil elektrisch verbun
den ist.
Das temperaturabhängige Schaltwerk umfaßt eine Bimetall-
Schnappscheibe sowie eine Federscheibe, die das Schaltwerk in
die geöffnete Stellung vorspannt. Überschreitet die Bimetall-
Schnappscheibe die Schalttemperatur, so öffnet sie das Schalt
werk gegen die Kraft der Federscheibe und gelangt dabei mit ih
rem Rand in Anlage mit dem Widerstand innen am Deckelteil, wo
bei sie mit einem von ihrem Zentrum getragenen Kontaktteil in
elektrischen Kontakt mit dem Unterteil gelangt. Auf diese Weise
ist in der geöffneten Stellung der Widerstand innen am Oberteil
elektrisch zwischen Deckelteil und Unterteil geschaltet und
dient so als Selbsthaltewiderstand, der durch seine Wärmeent
wicklung das Schaltwerk geöffnet hält.
Ein weiterer Nachteil, der mit den bekannten Schaltern mit
Selbsthaltefunktion verbunden ist, besteht in dem konstruktiven
Aufwand, der zu kostenintensiven und aufwendig zu montierenden
Schaltern führt.
Ein weiterer, mit dem eingangs erwähnten Schalter verbundener
Nachteil ist darin zu sehen, daß sich der Schwellwert des Stro
mes, der zum Öffnen des Schalters führt, durch den Ohm schen
Widerstand der Bimetall-Elemente bestimmt, so daß sich unter
schiedliche Schaltstromstärken nur schwer realisieren lassen.
Aus dem Stand der Technik ist es jedoch bereits bekannt, die
Stromabhängigkeit durch Verwendung eines Vorwiderstandes einzu
stellen, der elektrisch zu dem temperaturabhängigen Schaltwerk
in Reihe geschaltet ist. Bei den bekannten Schaltern ist jedoch
parallel zu dem Schaltorgan ein Stellorgan in Form einer Feder-
Schnappscheibe etc. geschaltet, durch die der elektrische Strom
fließt. Mit anderen Worten, das Bimetall-Element ist bei strom
abhängigen Schaltern mit Vorwiderstand stromfrei, der Be
triebsstrom des zu schützenden elektrischen Gerätes wird über
ein gesondertes Federelement geleitet. Durch die Wahl des Wi
derstandswertes dieses Vor- oder Serienwiderstandes kann jetzt
die Schaltstromstärke genau und reproduzierbar eingestellt wer
den.
Auch bei den bekannten Schaltern mit Serienwiderstand ist der
konstruktive Aufwand von Nachteil, die Schalter sind kostenin
tensiv und zeitaufwendig zu montieren.
Ein weiterer, aus der EP 0 103 792 B1 bekannter, stromabhängi
ger Schalter weist als Schaltorgan eine Bimetall-Federzunge
auf, die an dem einen Außenanschluß befestigt ist und an ihrem
freien Ende ein bewegliches Kontaktteil trägt, das mit einem
Gegenkontakt zusammenwirkt, der an dem freien Ende eines läng
lichen Federelementes angeordnet ist, das anderen Endes an dem
anderen Außenanschluß befestigt ist, so daß der Strom durch die
Reihenschaltung aus Federelement und Bimetall-Federzunge
fließt.
Die elastische Lagerung des Gegenkontaktes sorgt hier für eine
geringe mechanische Belastung der Bimetall-Federzunge, da der
Gegenkontakt begrenzt nachgibt, wenn die Bimetall-Federzunge
infolge einer Temperaturänderung ihre geometrische Form verän
dert. Hierdurch werden irreversible Verformungen der Bimetall-
Federzunge vermieden, die zu einer Verschiebung der Schalttem
peratur führen könnten.
Ein Nachteil dieses Schalters besteht darin, daß die Bimetall-
Federzunge wie alle Bimetall-Elemente beim Übergang von der
Schließ- in die Öffnungsstellung eine sogenannte Schleichphase
durchläuft, in der sich infolge einer Temperaturerhöhung oder
-erniedrigung das Bimetall-Element schleichend verformt, ohne
jedoch von seiner z. B. konvexen Tieftemperaturstellung bereits
in seine konkave Hochtemperaturstellung umzuschnappen. Diese
Schleichphase tritt jedesmal dann auf, wenn sich die Temperatur
des Bimetall-Elementes entweder von oben oder von unten der
Sprungtemperatur nähert und führt zu merklichen Konforma
tionsänderungen. Insbesondere infolge von Alterung oder Lang
zeitbetrieb kann sich das Schleichverhalten eines Bimetall-
Elementes darüber hinaus auch noch verändern.
Während der Öffnungsbewegung kann das Schleichen dazu führen,
daß der Druck des Kontaktes gegen den Gegenkontakt nachläßt,
wodurch undefinierte Schaltzustände entstehen. Während der
Schließbewegung kann sich der Kontakt während der Schleichphase
allmählich dem Gegenkontakt annähern, wodurch die Gefahr eines
Lichtbogens hervorgerufen werden kann.
Die mit dem Schleichverhalten eines Bimetall-Elementes einher
gehenden Probleme werden bei einem stromabhängigen Schalter,
wie er in der eingangs erwähnten US 4,636,766 oder der EP 0 103 792
beschrieben ist, dadurch gelöst, daß die Bimetall-
Federzunge mit Vorprägungen versehen wird, die die Schleichpha
se zwar nicht vollständig, aber doch zum großen Teil unterdrüc
ken. Diese Vorprägungen oder sonstige mechanische Einwirkungen
auf das Bimetall-Element zur Unterdrückung der Schleichphase
sind aufwendige und teure Maßnahmen, durch die zudem die Le
bensdauer dieser Bimetall-Elemente deutlich deutlich reduziert
wird. Ein weiterer Nachteil der erforderlichen Vorprägung ist
darin zu sehen, daß für verschiedene Leistungsklassen und An
sprechtemperaturen nicht nur unterschiedliche Materialzusammen
setzungen und -stärken sondern auch noch unterschiedliche Vor
prägungen eingesetzt werden müssen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung, einen die obigen Nachteile vermeidenden Schalter der ein
gangs genannten Art bei preiswerter und einfacher Konstruktion
mit einer Selbsthaltefunktion zu versehen, wobei der Schalter
eine kleine Bauweise sowie eine hohe Funktionssicherheit und
lange Lebensdauer aufweisen soll.
Bei dem eingangs erwähnten Schalter wird diese Aufgabe dadurch
gelöst, daß die Deckelelektrode als flächige Deckelelektrode
ausgebildet ist, auf deren Innenseite ein flacher Selbsthalte
widerstand angeordnet ist, der permanent elektrisch zwischen
die Deckelelektrode und den zweiten Außenanschluß geschaltet
ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise
vollkommen gelöst.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat nämlich erkannt,
daß es bei Verwendung einer flächigen Deckelelektrode möglich
ist, auf dessen Innenseite einen flachen Selbsthaltewiderstand
anzuordnen, ohne daß die Bauhöhe merklich beeinflußt wird. Im
Gegensatz zu einem blockförmigen PTC-Element weist ein derarti
ger z. B. Schichtwiderstand nämlich eine so geringe Dicke auf,
daß diese zu einer kaum merklichen Vergrößerung der Dicke der
Deckelelektrode führt.
Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn das Stellorgan ein
Federelement umfaßt, das eine Stellkraft aufweist, und das
Stellorgan eine temperaturabhängige Stellkraft aufweist, die in
dessen Schleichphase größer ist als die Stellkraft des Feder
elementes.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat erkannt, daß die
z. B. aus der DE 21 21 802 C bekannte mechanische und elektri
sche parallele Anordnung von Temperatur-neutralem Federelement
und Schaltorgan in eine elektrische und mechanische Reihen
schaltung abgewandelt und bei dem neuen Schalter eingesetzt
werden kann, um eine ganze Reihe von weiteren Vorteilen in dem
neuen Schalter zu vereinigen.
Durch die mechanische Reihenschaltung, also das Zusammenwirken
der Federkraft des Federelementes mit der des Schaltorganes
kann nämlich die Schleichphase des Schaltorganes ausgeglichen
werden. Wenn sich das Schaltorgan während der Schleichphase in
seiner Geometrie verändert, so wird dies durch das Federelement
unmittelbar ausgeglichen. Damit ist es jetzt erstmals möglich,
auch bei einem Schalter mit stromdurchflossenem Schaltorgan,
das ein Bimetall-Element oder ein Trimetall-Element sein kann,
eine große Schleichphase des Schaltorganes zu ermöglichen, denn
das Federelement kann die "ungewollten" Formänderungen während
der Schleichphase ausgleichen. Dies bedeutet jedoch, daß ein
einfacher herzustellendes und damit preiswerteres Schaltorgan
eingesetzt werden kann, das zudem eine höhere Lebensdauer auf
weist, da auf die Vorprägung größtenteils verzichtet werden
kann und somit eine größere Hysterese zulässig wird, so daß die
Schleichphase maximal ausgenutzt werden kann.
Damit sind aber nicht nur geringe geometrische Anforderungen an
das Schaltorgan sondern ebenfalls geringere Anforderungen an
das Federelement zu stellen, denn letzteres muß jetzt nur noch
dafür sorgen, daß das Schaltorgan unterhalb seiner Sprungtempe
ratur, also während der Schleichphase, in elektrischem Kontakt
zu einem der Außenanschlüsse verbleibt. Unterschiedliche Schaltertypen
bezüglich Leistungsklasse und Ansprechtemperatur kön
nen jetzt mit im wesentlichen demselben Federelement aber un
terschiedlichen Schaltorganen ausgelegt werden, wobei an diese
Bauteile des Schaltwerkes sehr viel geringere geometrische und
mechanische Bedingungen zu stellen sind, so daß sie insgesamt
einfacher und preiswerter herzustellen sind.
Bezüglich der Lebensdauer des Schaltorganes ergeben sich hier
dieselben Vorteile, wie die bei der lose eingelegten Bimetall-
Schnappscheibe gemäß DE 21 21 802 C. Insgesamt kann bei dem
neuen Schalter mehr Wert auf die elektrischen Eigenschaften und
die Schalttemperatur gelegt werden, die mechanische Federkraft
des Schaltorganes spielt bei dem neuen Schalter zum ersten Mal
in der Technik eine untergeordnete Rolle, sie muß nur so groß
sein, daß das Schaltorgan durch das Federelement nicht zu stark
zusammengedrückt wird. Der Schaltprozeß selbst wird nach Ab
schluß der Schleichphase allein durch das Schaltorgan bewirkt,
das in seiner Schließstellung jetzt immer vorgespannt ist. Die
ses vorgespannte Schaltorgan weist noch eine ganze Reihe von
weiteren Vorteilen auf, so vibriert es nicht im Magnetfeld und
weist keine Lichtbogengefahr auf, denn sich allmählich öffnende
oder schließende Kontakte werden durch die Vorspannung verhin
dert.
Damit ist aber nur noch eine sehr geringe Vorprägung des Bime
tall-Elementes erforderlich, durch die lediglich noch der
Schnappeffekt für die plötzliche Kontakttrennung sichergestellt
werden muß. Eine stärkere Vorprägung, wie sie bisher zur Unter
stützung bzw. Unterdrückung der Schleichphase verwendet wurde,
ist nicht mehr erforderlich. Dadurch werden die mechanischen
Belastungen verringert und damit die Lebensdauer sowie die Zuverlässigkeit
und Reproduzierbarkeit des Schaltpunktes deutlich
erhöht.
Das temperaturneutrale Federelement übt auf das Bimetall-
Element keinen dessen Verformung behindernden Druck mehr aus,
es gleicht vielmehr in der Schleichphase die Verformung des Bi
metall-Elementes durch eigene Verformung derart aus, daß beweg
liches Kontaktteil und fester Gegenkontakt miteinander derart
sicher in Anlage bleiben, daß für einen niedrigen Übergangswi
derstand gesorgt wird. Der Kontaktdruck bleibt unterhalb der
Schalttemperatur weitgehend unabhängig von der Temperatur kon
stant.
Die Schleichphase des Bimetall-Elementes wird also nicht mehr
wie im Stand der Technik unterdrückt, sondern sozusagen ausge
glichen, das Bimetall-Element kann sich nämlich in der
Schleichphase nahezu ungehindert verformen, wobei die Änderun
gen der Geometrie dabei durch das Federelement so ausgeglichen
werden, daß der Schalter sicher geschlossen bleibt.
Zu diesem Zweck ist die temperaturabhängige Stellkraft des Bi
metall-Elementes so gewählt, daß sie in der Schleichphase grö
ßer ist als die weitgehend temperaturneutrale Stellkraft des
Federelementes, das das somit "starre" Bimetall-Element damit
lediglich noch "führt".
Ein großer Vorteil des neuen Schalters liegt in seiner einfa
chen Bauweise, neben einem gehäusefesten Gegenkontakt ist nur
ein Bimetall-Element erforderlich, das Federelement ist tempe
raturneutral und damit preiswert. Insgesamt müssen Bimetall-
Element und Federelement zwar bezüglich der Stellkraft aufeinander
abgestimmt werden, nicht mehr jedoch zusätzlich auch noch
bezüglich ihres Temperaturverhaltens, denn das Schaltwerk rich
tet sich sozusagen selbst aus. Dadurch wird ein Standardfedere
lement für alle Temperaturbereiche möglich, wodurch ein wesent
licher Rationalisierungseffekt erreicht wird. Durch diese Kon
struktion ist ferner eine geringe Bauhöhe realisierbar, wobei
bei unterschiedlichen Schalttemperaturen keine neue individuel
le Anpassung erforderlich ist, lediglich das Bimetall-Element
muß mit gleichen Federeigenschaften aber anderen Schalttempera
turen ausgelegt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Toleranzen und Schwan
kungen in der Schalttemperatur durch die Führung durch das tem
peraturneutrale Federelement ausgeglichen werden.
In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn der zweite Außen
anschluß mit einer Bodenelektrode verbunden ist, mit der ein
bewegliches Kontaktteil zusammenwirkt, das an dem Schaltorgan
vorgesehen ist, und zwischen der Deckelelektrode und der Bo
denelektrode ein Verbindungselement angeordnet ist, das den
Selbsthalte-Widerstand mit der Bodenelektrode verbindet.
Diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, das Verbindungsele
ment kann entweder als gesondertes Teil bei der Montage in den
Schalter eingelegt werden, oder aber zuvor an der Deckelelek
trode bzw. der Bodenelektrode befestigt werden. Komplizierte
Lötverbindungen oder elektrische Drahtverbindungen sind somit
für die Kontaktierung des Selbsthaltewiderstandes nicht erfor
derlich.
Weiter ist es bevorzugt, wenn auf der Innenseite der Deckel
elektrode ein flacher Serienwiderstand angeordnet ist, der
elektrisch zwischen den ersten Außenanschluß und das erste Ende
des Federelementes geschaltet ist.
Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, daß die Stromabhängigkeit
jetzt nicht mehr nur durch das stromdurchflossene Schaltorgan
bestimmt wird, sondern vorrangig durch den Serienwiderstand,
der z. B. geometrisch parallel zu dem Selbsthaltewiderstand in
nen an der Deckelelektrode angebracht sein kann. Um jetzt
Schalter mit unterschiedlichen Stromabhängigkeiten zu erzeugen,
müssen lediglich verschiedene Deckelektroden mit unterschiedli
chen Widerstandswerten des Serienwiderstandes vorrätig gehalten
werden, die sonstigen Komponenten des Schalters können unverän
dert bleiben. Auf einfache Weise kann jetzt sozusagen in der
Halbzeugfertigung auch der Widerstandswert des Selbsthaltewi
derstandes so angepaßt werden, daß er bei unterschiedlichen An
sprechströmen des Schalters, die in der Regel auch unterschied
liche Restströme im geöffneten Zustand mit sich bringen, für
eine sichere Selbsthaltung sorgt.
Dabei ist es insgesamt bevorzugt, wenn auf der Innenseite der
Deckelelektrode eine Isolationsschicht angeordnet ist, auf der
zumindest eine Widerstandsbahn angeordnet ist, die einen Endes
mit dem ersten Außenanschluß und anderen Endes mit einer Kon
taktfläche verbunden ist, mit der eine Kontaktfläche des Ver
bindungselementes bzw. an dem Federelement in Anlage ist.
Diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, denn die Verbindung
zwischen dem Selbsthaltewiderstand und ggf. dem Serienwider
stand innen an der Deckelelektrode und den zugeordneten Kontaktflächen
an dem Verbindungselement bzw. dem ersten Ende des
Stellorganes erfolgt beim Auflegen des Deckelteiles auf den
Isolierstoffträger sozusagen gleichzeitig mit der mechanischen
Befestigung der Deckelelektrode an dem Isolierstoffträger. Die
Montage des neuen Schalter gestaltet sich damit einfach und
preiswert.
Weiter ist es bevorzugt, wenn das Verbindungselement eine auf
dem Isolierstoffträger aufliegende Kontaktplatte, die mit der
Kontaktfläche in Anlage ist, sowie auf die Bodenelektrode zu
weisende Kontaktbügel aufweist, die zwischen sich eine von der
Bodenelektrode hochstehende Lasche einklemmen.
Auch diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, nachdem näm
lich die Bodenelektrode z. B. mit dem Isolierstoffträger um
spritzt wurde, wird in eine dafür vorgesehene Öffnung, in die
von unten die Lasche der Bodenelektrode nach oben ragt, das
Verbindungselement eingeschoben, wobei die Lasche zwischen des
sen Kontaktbügel eingeklemmt wird. Als nächstes muß jetzt nur
noch die Deckelelektrode aufgelegt werden, damit die Verbindung
zwischen dem Verbindungselement und dem Selbsthaltewiderstand
hergestellt wird.
Dabei ist es dann weiter bevorzugt, wenn das Federelement an
seinem ersten Ende T-förmig ausgebildet ist, mit diesem T-
förmigen Ende auf dem Isolierstoffträger aufliegt und an diesem
T-förmigen Ende eine Kontaktfläche aufweist, die mit der Kon
taktfläche des Serienwiderstandes in Anlage ist.
Auch diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, durch sie ver
einfacht sich die Montage des neuen Schalters noch stärker. Auf
dem Isolierstoffträger, an dem durch Umspritzen die Bodenelek
trode bereits unverlierbar gehalten ist, und in dem ggf. be
reits das Verbindungselement eingelegt wurde, muß als nächstes
nur noch das Federelement eingelegt werden, das sich dabei mit
seinem T-förmigen Ende auf dem Isolierstoffträger abstützt. Das
mechanisch an dem anderen Ende des Stellorganes befestigte
Schaltorgan kommt auf diese Weise in einer entsprechenden Öff
nung in dem Isolierstoffträger zu liegen. Jetzt muß nur die
Deckelelektrode aufgelegt werden, wobei die dort vorgesehenen
Kontaktflächen jetzt mit der Kontaktfläche an dem T-förmigen
Ende sowie ggf. dem Verbindungselement in Anlage gelangen.
Als nächstes wird noch ein Rand des Isolierstoffträgers heiß
verpreßt, wodurch die Deckelektrode mechanisch fest auf dem
Isolierstoffträger gehalten wird und gleichzeitig die erforder
lichen elektrischen Verbindungen hergestellt werden. Eine Nach
justierung oder Ausrichtung des Schaltwerkes ist dabei übrigens
nicht erforderlich, denn dieses richtet sich durch die Stell
kraft des Federelementes sozusagen automatisch in den Isolier
stoffträger aus.
Es sei noch erwähnt, daß dieser Montage verglichen z. B. mit der
Montage eines Schalters gemäß DE 21 21 802 C deutlich verein
facht ist, weil nämlich das dort nur manuell vorzunehmende Ein
legen von Bimetall-Schnappscheibe sowie darüber gestülpter Fe
derscheibe sehr lohnintensiv ist und darüber hinaus häufig zu
Ausschuß führt. Wegen der mechanischen Verbindung zwischen Fe
derelement und Schaltorgan gibt es bei dem neuen Schalter je
doch keine Probleme mit der Montage, insbesondere können Fede
relement und Schaltorgan nicht gegeneinander verrutschen.
Dabei ist es bevorzugt, wenn das Federelement und das Schaltor
gan im wesentlichen flache, blechartige Teile sind, die sich
zur selben Seite V-förmig von ihrer Verbindungsstelle weg er
strecken.
Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, daß verglichen mit dem
gattungsbildenden Schalter die Bauhöhe deutlich reduziert wird,
wobei ferner auch eine geringe Längserstreckung wegen des
"zurückgeklappten" freien Endes des Schaltorganes erreicht
wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der bei
gefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachste
hend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils an
gegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar
gestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den neuen Schalter längs
der Linie I-I aus Fig. 2;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Schalter gemäß Fig. 1, ge
schnitten längs der Linie II-II aus Fig. 1;
Fig. 3a eine Draufsicht auf die Innenseite der Deckelelek
trode des Schalters gemäß Fig. 1;
Fig. 3b eine Seitenansicht der Deckelelektrode aus Fig. 3a;
Fig. 4 das Schaltwerk des Schalters aus Fig. 1 in einer
schematisierten, vergrößerten Darstellung, wobei das
Schaltorgan in Schließstellung ist;
Fig. 5 eine Darstellung wie in Fig. 4, jedoch während der
Schleichphase des Schaltorganes; und
Fig. 6 eine Darstellung wie Fig. 4, wobei das Schaltorgan
jedoch in seiner Öffnungsstellung ist.
In Fig. 1 ist mit 10 allgemein ein neuer Schalter gezeigt, der
im schematischen Längsschnitt dargestellt ist.
Der neue Schalter 10 weist einen ersten Außenanschluß 11 auf,
der einstückig mit einer ebenen oder flächigen Deckelelektrode
12 verbunden ist. Ferner ist ein zweiter Außenanschluß 14 vor
gesehen, der mit einer Bodenelektrode 15 einstückig ausgebildet
ist. Die Deckelelektrode 12 und die Bodenelektrode 15 sind an
einem Isolierstoffträger 16 gehalten, der die Deckelelektrode
12 und die Bodenelektrode 15 parallel zueinander beabstandet
hält.
Während der Isolierstoffträger 16 grundsätzlich seitlich offen
sein kann, ist in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei
dem der Isolierstoffträger 16 ein topfförmiges Gehäuseunterteil
17 umfaßt, das um die Bodenelektrode 15 herum durch Umspritzen
oder Vergießen derart ausgebildet ist, daß die Bodenelektrode
15 integraler Bestandteil des Gehäuseunterteiles 17 ist. Das
Gehäuseunterteil 17 wird durch die Deckelelektrode 12 ver
schlossen, die von einem bei 18 angedeuteten, heißverschweißten
Rand des Isolierstoffträgers 16 unverlierbar gehalten wird.
Zwischen Deckelelektrode 12 und Bodenelektrode 15 ist ein tem
peraturabhängiges Schaltwerk 19 in einem ersten Innenraum 20
des Isolierstoffträgers 16 angeordnet. Das Schaltwerk 19 umfaßt
eine mechanische und elektrische Reihenschaltung aus einem Fe
derelement 21 sowie einem Schaltorgan 22, die durch eine bei 23
angedeutete Verbindung miteinander verbunden sind. Das Schalt
organ 22 ist im vorliegenden Fall ein Bimetall-Element.
Das Federelement 21 hat dabei eine weitgehend temperaturunab
hängige Stellkraft, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung
bedeutet, daß sich die Stellkraft oder Federkraft des Federele
mentes 21 im Bereich der zulässigen Betriebstemperatur des
Schalters 10 nicht merklich ändert. Die Stellkraft des Bime
tall-Elementes ist dagegen stark temperaturabhängig und auch in
der sogenannten Schleichphase schon derart groß, daß das Fede
relement 21 keinen die Verformung des Bimetall-Elementes behin
dernden Druck auf das bei konstanter Temperatur in diesem Fe
dersystem somit starre Bimetall-Element ausüben kann.
Das Federelement 21 ist mit seinem ersten, T-förmigen Ende 25
in Fig. 1 oben rechts in Anlage mit der Deckelelektrode 12 und
führt mit seinem zweiten Ende 26 in die Verbindung 23 zu dem
Schaltorgan 22. Das Schaltorgan 22 trägt an seinem freien Ende
27 ein bewegliches Kontaktteil 28, das mit einem schalterfesten
Gegenkontakt 29 zusammenwirkt, der an der Bodenelektrode 15
ausgebildet ist.
In seiner in Fig. 1 gezeigten Schließstellung stellt das
Schaltwerk 19 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der
Deckelelektrode 12 sowie der Bodenelektrode 15 her. Bei einer
Temperaturerhöhung hebt sich der bewegliche Gegenkontakt 28 von
dem festen Gegenkontakt 29 ab, wobei sich die Verbindung 23 in
Fig. 1 nach unten bewegt und dabei auf einer Isolierbrücke 31
zu liegen kommt, durch die ein Kurzschluß mit der Bodenelektro
de 15 verhindert wird.
In noch zu beschreibender Weise sind an der Deckelelektrode 12
auf dessen Innenseite 32 ein Selbsthaltewiderstand sowie ein
Serienwiderstand angeordnet, wobei der Selbsthaltewiderstand
elektrisch zwischen die Deckelelektrode 12 sowie die Bodenelek
trode 15 und der Serienwiderstand elektrisch zwischen den er
sten Außenanschluß 11 und das zweite Ende 25 des Federelementes
21 geschaltet ist.
In dem Isolierstoffträger 16 ist ein zweiter Innenraum 34 vor
gesehen, in den von oben ein Verbindungselement 35 hineinragt,
das mit einer hochgebogenen Lasche 36 der Bodenelektrode 15
elektrisch in Anlage ist. In noch zu beschreibender Weise ist
das Verbindungselement 35 ebenfalls in Anlage mit dem Selbst
haltewiderstand, wie es jetzt anhand von Fig. 2 erklärt wird.
In Fig. 2 ist zunächst zu erkennen, daß das Gehäuseunterteil 17
einen gegenüber seinem Rand 18 nach unten zurückgesetzten Soc
kel 37 aufweist, auf dem das T-förmige zweite Ende 25 des Fede
relementes 21 aufliegt. Dieses T-förmige zweite Ende 25 weist
einen Ansatz 38 auf, auf dem eine Kontaktfläche 39 zur Kontak
tierung des Serienwiderstandes vorgesehen ist.
Es sei noch erwähnt, daß das T-förmige Ende 25 auf dem Sockel
37 durch Vorsprünge 40a, 40b und 40c gegen Verrutschen gesi
chert ist.
Neben dem Ansatz 38 liegt auf dem Sockel 37b eine Kontaktplatte
41 des Verbindungselementes 35. Von der Kontaktplatte 41 er
strecken sich nach unten zwei Kontaktbügel 42, 43, die zwi
schen sich die Lasche 36 der Bodenelektrode 15 einklemmen. Die
Kontaktplatte 41 gelangt in Anlage mit dem Selbsthaltewider
stand, wie es jetzt anhand der Unteransicht der Deckelelektrode
12 in Fig. 3a erklärt wird.
Die Deckelelektrode 12 ist zunächst großflächig mit einer Iso
lationsschicht 45 versehen, auf der geometrisch parallel neben
einander eine einen Selbsthaltewiderstand 46 bildende Wider
standsbahn sowie eine einen Serienwiderstand 47 bildende Wider
standsbahn aufgebracht ist. An ihrem linken Ende sind diese Wi
derstandsbahnen mit Anschlußteilen 48 bzw. 49 versehen, durch
die eine elektrische Verbindung zu der Deckelelektrode 12 und
damit dem ersten Außenanschluß 11 hergestellt wird.
An ihrem anderen Ende sind die Widerstandsbahnen mit Anschluß
teilen 51, 52 versehen, die in Kontaktflächen 53 bzw. 54 aus
laufen.
Über die Kontaktfläche 53 gelangt der Selbsthaltewiderstand 46
in Anlage mit der Kontaktplatte 41, so daß der Selbsthaltewi
derstand 46 zwischen die Deckelelektrode 12 und die Bodenelektrode
15 geschaltet ist, wenn die Deckelelektrode 15 auf dem
Isolierstoffträger 16 aufliegt.
Die Kontaktfläche 54 gelangt bei aufgelegter Deckelelektrode 12
in Anlage mit der Kontaktfläche 39, so daß der Serienwiderstand
47 elektrisch in Reihe zwischen den ersten Außenanschluß 11 so
wie das Federelement 21 geschaltet ist.
Die schichtartige Anordnung des Selbsthaltewiderstandes 46 so
wie des Serienwiderstandes 47 auf der Innenseite der Deckel
elektrode 12 ist in der Seitenansicht der Fig. 3b in stark ver
größerter, nicht maßstabsgerechter Darstellung gezeigt.
Die Montage des Schalters 10 erfolgt derart, daß zunächst die
Bodenelektrode 15 mit dem Isolierstoffträger 16 umspritzt wird,
wobei die beiden Innenräume 20 und 34 freigelassen werden. In
den Innenraum 20 wird dann das Schaltwerk 19 so eingelegt, daß
das T-förmige Ende 25 des Federelementes 21 auf dem Sockel 37
zu liegen kommt. Dann wird das Verbindungselement 35 in den
zweiten Innenraum 34 eingeschoben, wobei die Lasche 36 zwischen
die Kontaktbügel 42 und 43 eingeklemmt wird.
Danach wird die mit dem Selbsthaltewiderstand 46 sowie ggf. dem
Serienwiderstand 47 versehene Deckelelektrode 12 von oben auf
den Isolierstoffträger 16 aufgelegt, wobei die Kontaktfläche 53
mit der Kontaktplatte 41 und die Kontaktfläche 54 mit der Kon
taktfläche 39 derart in Anlage gelangt, daß der Schalter 10 mit
einem Vorwiderstand sowie einem Selbsthaltewiderstand ausgerü
stet ist.
Das Schaltwerk 19 richtet sich bei dieser Montage in dem ersten
inneren Raum 20 sozusagen automatisch aus, das Federelement 21
gleicht den Druck auf das Schaltorgan 22 derart aus, daß eine
sichere Verbindung zwischen dem beweglichen Kontakt 28 sowie
dem festen Gegenkontakt 29 hergestellt wird.
Anhand der Fig. 4 bis 6 soll jetzt noch das Verhältnis der
Stellkräfte von Federelement 21 sowie Schaltorgan 22 zueinander
erklärt werden.
Dazu ist in Fig. 4 das Schaltwerk 19 aus Fig. 1 schematisch in
vergrößertem Maßstab in seiner Schließstellung gezeigt. Das
Schaltorgan 22 befindet sich soweit unterhalb seiner Sprungtem
peratur, daß seine Schleichphase noch nicht eingesetzt hat. Das
Schaltorgan 22 drückt gegen die Kraft des Federelementes 21 die
Verbindung 23 in Fig. 4 nach oben, so daß sich ein bei 57 ange
deuteter Abstand zur Deckelelektrode 12 sowie ein bei 58 ange
deuteter Abstand zu dem Gegenkontakt 29 einstellt.
Wenn sich jetzt die Temperatur des Schaltorganes 22 infolge ei
nes erhöhten Stromflusses und damit einer erhöhten Aufheizung
des Serienwiderstandes 47 oder infolge einer erhöhten Außentem
peratur, die sowohl über die Deckelelektrode 12 als auch über
die Bodenelektrode 15 angekoppelt werden kann, erhöht, so be
ginnt zunächst die Schleichphase des Schaltorganes 22, in der
seine gegen die Kraft des Federelementes 21 arbeitende Feder
kraft nachläßt, so daß die Verbindung 23 in Fig. 4 nach unten
bewegt wird, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die Stellkraft
des Bimetall-Elementes ist jedoch noch immer so groß, daß die
Stellkraft des Federelementes 21 nicht ausreicht, um die in der
Schleichphase auftretenden Verformungen zu behindern. Unabhängig
von seiner Geometrieänderung in dieser Schleichphase ist
das Schaltorgan verglichen mit dem Federelement 21 als starr
anzusehen, der Kontaktdruck wird allein durch die Stellkraft
des Federelementes ausgeübt.
Der Abstand 57 vergrößert sich in dem Maße, in dem sich der Ab
stand 58 verringert. Die mechanische Reihenschaltung aus Feder
element 21 und Schaltorgan 22 drückt jedoch nach wie vor das
bewegliche Kontaktteil 28 gegen den Gegenkontakt 29. Im Ver
gleich zwischen den Fig. 4 und 5 ist jedoch zu erkennen, daß
das bewegliche Kontaktteil 28 sich in Fig. 5 quer zu dem Gegen
kontakt 29 verschoben hat. Diese Reibung ist erwünscht, denn
hierdurch werden die Kontaktflächen zwischen Kontaktteil 28 und
Gegenkontakt 29 gereinigt, so daß der elektrische Übergangswi
derstand sehr gering ist.
Erhöht sich jetzt die Temperatur des Schaltorganes 22 weiter,
so schnappt es in Richtung eines Pfeiles 59 in seine Öffnungs
stellung, die in Fig. 6 dargestellt ist. Die Verbindung 23 ist
noch weiter nach unten gelangt, wobei das Schaltorgan 22 das
bewegliche Kontaktteil 28 von dem Gegenkontakt 29 abgehoben
hat. Im Vergleich zwischen den Fig. 4 und 6 ist zu erkennen,
daß sich die Verbindung 23 zwischen der Deckelelektrode 12 und
der Bodenelektrode 15 nach unten bewegt, während sich das be
wegliche Kontaktteil 28 in umgekehrter Richtung nach oben be
wegt, so daß der lichte Abstand zwischen Deckelelektrode 12 und
Bodenelektrode 15 sozusagen doppelt ausgenutzt wird.
In der in Fig. 6 gezeigten Stellung fließt jetzt noch ein Rest
strom durch den Selbsthaltewiderstand 46, der eine entsprechende
Wärme entwickelt, die ausreicht, das Schaltorgan 22 in sei
ner Hochtemperaturstellung gemäß Fig. 6 zu halten.
Aus den Fig. 4 bis 6 ist ferner zu erkennen, daß das Federele
ment 21 sowie das Schaltorgan 22 im wesentlichen flache,
blechartige Teile sind, die V-förmig angeordnet sind, sich also
von ihrer Verbindung 23 zur selben Seite hin erstrecken. Durch
diese "zurückgeklappte" Anordnung wird neben der oben erwähnten
doppelten Ausnutzung des Abstandes zwischen Deckelelektrode 12
und Bodenelektrode 15 zusätzlich eine relativ kurze Bauform des
neuen Schalters 10 erreicht.
Claims (9)
1. Schalter mit einem Isolierstoffträger (16), an dem ein er
ster und ein zweiter Außenanschluß (11, 14) angeordnet
sind, sowie einem temperaturabhängigen Schaltwerk (19),
das in Abhängigkeit von seiner Temperatur zwischen dem er
sten und dem zweiten Außenanschluß (11, 14) eine elek
trisch leitende Verbindung für einen durch den Schalter zu
leitenden elektrischen Strom herstellt, und ein Schaltor
gan (22), das seine geometrische Form temperaturabhängig
zwischen einer Schließ- und einer Öffnungsstellung verän
dert und in seiner Schließstellung den Strom führt, sowie
ein Stellorgan (21) umfaßt, das mit dem Schaltorgan (22) elek
trisch und mechanisch in Reihe geschaltet ist, wobei der
erste Außenanschluß (11) mit einer Deckelelektrode (12)
verbunden ist, an der das Stellorgan mit seinem ersten En
de (25) festgelegt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Deckelelektrode (12) als
flächige Deckelelektrode (12) ausgebildet ist, auf deren
Innenseite (32) ein flacher Selbsthaltewiderstand (46) an
geordnet ist, der permanent elektrisch zwischen die Decke
lelektrode (12) und den zweiten Außenanschluß (14) ge
schaltet ist.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Stellorgan ein Federelement (21) umfaßt, das eine Stell
kraft aufweist, und das Schaltorgan (22) eine temperaturabhängige
Stellkraft aufweist, die in dessen Schleichphase
größer ist als die Stellkraft des Federelementes (21).
3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Außenanschluß (14) mit einer Bodenelektrode
(15) verbunden ist, mit der ein bewegliches Kontaktteil
(28) zusammenwirkt, das an dem Schaltorgan (22) vorgesehen
ist, und zwischen der Deckelelektrode (12) und der Bodene
lektrode (15) ein Verbindungselement (35) angeordnet ist,
das den Selbsthaltewiderstand (46) mit der Bodenelektrode
(15) verbindet.
4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf der Innenseite (32) der Deckelelektrode
(12) ein flacher Serienwiderstand (47) angeordnet, der
elektrisch zwischen den ersten Außenanschluß (11) und das
erste Ende (25) des Federelementes (21) geschaltet ist.
5. Schalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Innenseite (32) der Deckelelektrode (12) eine
Isolationsschicht (45) angeordnet ist, auf der als Selbsthaltewiderstand (46) zumindest
eine Widerstandsbahn angeordnet ist, die einen Endes
mit dem ersten Außenanschluß (11) und anderen Endes mit
einer Kontaktfläche (53) verbunden ist, mit der eine Kon
taktfläche des Verbindungselementes (35) in Anlage ist.
6. Schalter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Innenseite (32) der Deckelelektrode (12) eine
Isolationsschicht (45) angeordnet ist, auf der als Serienwiderstand (47) zumindest
eine Widerstandsbahn angeordnet ist, die einen Endes
mit dem ersten Außenanschluß (11) und anderen Endes mit
einer Kontaktfläche (54) verbunden ist, mit der eine Kon
taktfläche (39) an dem Federelement (21) in Anlage ist.
7. Schalter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verbindungselement (35) eine auf dem Isolierstoff
träger (16) aufliegende Kontaktplatte (41), die mit der
Kontaktfläche (53) des Selbsthaltewiderstandes (46) in An
lage ist, sowie auf die Bodenelektrode (15) zuweisende
Kontaktbügel (42, 43) aufweist, die zwischen sich eine von
der Bodenelektrode (15) hochstehende Lasche (36) einklem
men.
8. Schalter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Federelement (21) an seinem ersten Ende (25) T-
förmig ausgebildet ist, mit diesem T-förmigen Ende (25)
auf dem Isolierstoffträger (16) aufliegt und an diesem T-
förmigen Ende (25) eine Kontaktfläche (39) aufweist, die
mit der Kontaktfläche (54) des Serienwiderstandes (47) in
Anlage ist.
9. Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Federelement (21) und das Schaltorgan
(22) flache, blechartige Teile sind, die sich zur selben
Seite V-förmig von ihrer Verbindungsstelle (23) weg er
strecken.
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