DE19852115A1 - Elektrische Sicherung mit Schmelzleiter - Google Patents
Elektrische Sicherung mit SchmelzleiterInfo
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Abstract
Eine elektrische Sicherung zum Absichern elektrischer Schaltkreise weist einen ersten elektrisch leitenden Teil (1) mit einem Schmelzleiterbereich (10) zum Abschalten des durch die Sicherung fließenden Stromes auf. DOLLAR A Damit Umgebungsbedingungen, die nicht zwangsläufig von dem durch die Sicherung fließenden Strom abhängen, einen bestimmten und gewünschten Einfluß auf das Schaltverhalten der Sicherung bekommen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in Serie zu dem Schmelzleiterbereich (10) eine Sperrschicht (2) aus Halbleitermaterial geschaltet und auf der dem ersten elektrisch leitenden Teil (1) gegenüberliegenden Seite der Sperrschicht (2) mit einem zweiten elektrisch leitenden Teil (3) verbunden ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherung zum Absichern elektrischer Schaltkreise mit
mindestens einem ersten elektrisch leitenden Teil mit einem Schmelzleiterbereich zum
Abschalten des durch die Sicherung fließenden Stromes. Elektrische Sicherungen dieser Art
sind in der Technik allgemein bekannt. Sie arbeiten nach dem physikalischen Abschmelzprinzip.
Bei einem elektrischen Fehler in dem abzusichernden elektrischen Schaltkreis kommt es zu
Überströmen, die in der Schmelzsicherung das Material erwärmen. Bei einem Fehler in dem
Schaltkreis erhöht sich der Stromfluß, der wiederum das Material der Schmelzsicherung,
welches häufig in einer Engstelle angeordnet ist, erwärmt, bis das Material schmilzt und der
Stromkreis unterbrochen wird. Die Sicherung hat dann ausgelöst bzw. geschaltet. Für erneute
Aufnahme des elektrischen Betriebes muß diese Sicherung ausgewechselt werden.
Die Schaltzeiten der bekannten Schmelzsicherung sind durch Strom-Zeit-Kennlinien festgelegt.
Bei einem Vielfachen des Nennstromes, des sogenannten Arbeitsstromes im ungestörten
Zustand, zum Beispiel bei dem Zweifachen oder dem Dreifachen des Nennstrornes, sind nach
DIN Schaltzeitbereiche definiert. Die Sicherung reagiert also in bestimmter Zeit auf den durch
den Schmelzleiter fließenden Strom. Andere Einflüsse der Umgebung oder anderer Aggregate,
zum Beispiel die Temperatur, Feuchtigkeit usw., können auf das Verhaften der Sicherung nur
unkontrolliert oder nicht einwirken.
In der Automobilindustrie werden zur Absicherung elektrischer Schaltkreise Schmelzsicherun
gen der vorstehend genannten Art eingesetzt. Einflüsse der Umgebung können und sollen in
einem Automobil von einer Sicherung berücksichtigt werden. Dieses Ziel ist mit den
herkömmlichen Sicherungen jedoch nicht erreichbar.
In Automobilen zeigen sich gewisse Defekte in elektrischen Schaltkreisen durch das Auftreten
eines geringen Überstromes. Dieser fließt zwar durch die herkömmliche Schmelzsicherung,
schaltet diese aber nach der Strom-Zeit-Kennlinie nicht oder erst nach sehr langer Zeit ab. Der
Stromkreis ist also nicht einwandfrei abgesichert.
Außerdem erkennt man eine geschaltete Sicherung nur an der Funktionsuntüchtigkeit des
dazugehörigen Schaltkreises. Nach dem Schalten der Sicherung muß diese für die Wiederauf
nahme des normalen Betriebes nach Behebung eines Fehlers ausgewechselt werden. Das
Schalten der herkömmlichen Schmelzsicherung ist also nicht reversibel.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte elektrische Sicherung mit dem
Schmelzleiterbereich so weiter zu verbessern, daß Umgebungsbedingungen, die nicht
zwangsläufig von dem durch die Sicherung fließenden Strom abhängen, einen bestimmten und
gewünschten Einfluß auf das Schaltverhalten der Sicherung bekommen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in Serie zu dem Schmelzleiterbe
reich eine Sperrschicht aus Halbleitermaterial geschaltet und auf der dem ersten elektrisch
leitenden Teil elektrisch gegenüberliegenden Seite der Sperrschicht mit einem zweiten
elektrischen Teil verbunden ist. Die neue Sperrschicht ist also zwischen dem ersten und dem
zweiten elektrischen Teil angeordnet. Der an dem einen Ende des ersten elektrisch leitenden
Teiles eintretende Strom fließt durch den Schmelzleiterbereich, dann durch die Sperrschicht
und verläßt die neue Sicherung durch das der Sperrschicht gegenüberliegende zweite elektrisch
leitende Teil. Abgesehen von den physikalischen Eigenschaften des Schmelzleiterbereiches
kommt es also auf das Verhalten der Sperrschicht an, ob der elektrische Strom ungehindert
durch die Sicherung fließen kann. Das bedeutet, daß ausgesuchte physikalische Eigenschaften
der Umgebung die Sperrschicht beeinflussen, gegebenenfalls ihren Widerstand erhöhen bis
zum Sperrzustand. Die Sicherung verhält sich dann, als ob sie geschaltet hätte, obwohl diese
Zustandsänderung reversibel ist.
So ist es zum Beispiel möglich, daß eine Erwärmung der Sperrschicht auf definierte
Temperaturniveaus die Sperrschicht nichtleitend macht. Dieser Zustand kann durch
Erniedrigung der Temperatur reversibel wieder so umgekehrt werden, daß die Sperrschicht in
den leitenden Zustand zurückkehrt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann man die Sperrschicht auch so ausgestalten, daß
ab einer bestimmten Temperatur die Sperrschicht, zum Beispiel durch steigende Ver
lustleistung, zerstört wird. Der Abschaltvorgang einer solchen Sicherung wäre dann
irreversibel.
Bei entsprechend ausgewählten Sperrschichten können schon geringe Überströme den
Widerstand der Sperrschicht derart erhöhen, daß die Sicherung schaltet. Dies erfolgt in
kürzerer Schaltzeit. Dadurch kann mit Vorteil nach einer definierten Schaltzeit der Stromkreis
unterbrochen werden, ohne daß zur Wiederaufnahme des normalen Betriebes die Sicherung
ausgetauscht werden müßte.
Im Automobil wächst ständig die Anzahl der Bauteile, die auf bestimmte Umgebungs
bedingungen reagieren können, zum Beispiel auf die Temperatur. Durch die Erhöhung des
Widerstandes der Sperrschicht bei steigenden Temperaturen können diese direkten Einfluß auf
den durch die Sicherung fließenden Strom haben, ohne daß die herkömmliche Funktion der
Sicherung mit dem Schmelzleiter aktiviert werden müßte.
Diese neuen Anwendungsmöglichkeiten der elektrischen Sicherung gemäß der Erfindung
erlauben mithin eine Einflußnahme von Umgebungsbedingungen auf den durch die Sicherung
fließenden Strom. So können also auch schon kleinere Überströme zu einem Schalten der
Sicherung führen. Gleichzeitig wird das Verhalten bei Kurzschlußstrom gegenüber herkömm
lichen Sicherungen nicht verschlechtert, denn es bleibt immer der eine elektrisch leitende Teil
mit dem Schmelzleiterbereich erhalten, zum Beispiel eine Engstelle.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn erfindungsgemäß das erste und/oder das zweite elektrisch
leitende Teil mit einem Schmelzleiterbereich versehen ist/sind. Mit anderen Worten kann
entweder das erste oder das zweite elektrisch leitende Teil einen Schmelzleiter aufweisen, oder
es können in jedem der beiden elektrisch leitenden Teile Schmelzleiter, zum Beispiel Engstellen,
vorgesehen sein. Alle Vorteile herkömmlicher Schmelzsicherungen bleiben also auch bei der
elektrischen Sicherung gemäß der Erfindung voll erhalten.
Besonders günstig ist gemäß der Erfindung, wenn die Sperrschicht einen Steuerkontakt
aufweist. Während es je nach Auswahl und Aufbau der Sperrschicht möglich ist, ohne eine
Ansteuerung von außen eine physikalische Größe der Umgebung auf die Sperrschicht Einfluß
ausüben zu lassen, so daß der Widerstand der Sperrschicht zunimmt oder abnimmt, bis im
Extremfall die Sicherung zum Beispiel schaltet, kann man aber an die Sperrschicht außen auch
einen Steuerkoritakt anlegen und Signale aufbringen, um die Sperrschicht zu beeinflussen.
Die Sperrschicht kann durch Halbleiterschichtzusammensetzungen, wie zum Beispiel in
MOSFETs, Transistoren, Thyristoren usw. vorhanden sind, realisiert werden.
Die beiden elektrisch leitenden Teile werden bevorzugt mit der Sperrschicht durch Schweißen,
zum Beispiel Ultraschallschweißen, Kleben, Druckfügen, Löten, Krimpen oder anderen an sich
bekannte Verbindungsarten verbunden. Durch diese Befestigungsarten hat das eine oder
andere elektrisch leitende Teil ein erstes Potential, gegenüber welchem der an der Sperrschicht
angebrachte Steuerkontakt ein anderes Potential bekommt, um auf diese Weise die
Sperrschicht zu beeinflussen. Der Fachmann weiß, an welchem Punkt der Sperrschicht oder
in welchem Bereich ein solcher Steuerkontakt aufgebracht werden kann.
Die an diesen Kontakt angelegte Steuerspannung zur Beeinflussung des Widerstandes der
Sperrschicht kann einer Steuerschaltung entnommen werden, welche von einem Sensor
aufgenommene Signale verarbeitet. Man kann die verschiedensten physikalischen Größen des
betreffenden Anwendungsgebietes der neuen Sicherung durch Sensoren erfassen und in
elektrische Signale verarbeiten, welche dann ausgangsseitig mit dem Steuerkontakt an der
Sperrschicht verbunden werden. Mit solchen Sensoren kann man viele Umgebungs
bedingungen abfühlen, zum Beispiel die Temperatur, die Feuchtigkeit, das Vorhandensein oder
Druck oder Strömungsgeschwindigkeit von Gasen usw. Man kann auch andere elektronische
Schaltkreise auf diese Weise überwachen, weil bereits kleinere Überströme für das Schalten
der elektrischen Sicherung gemäß der Erfindung ausreichen.
Wenn bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an dem Steuerkontakt ein
Anzeigegerät angeschlossen ist, dient die elektrische Sicherung mit der neuen Sperrschicht
zusätzlich einem Informationsaustausch. Zum Beispiel kann mit dem Steuerkontakt eine
Auswerteeinheit, ein Anzeigegerät oder dergleichen verbunden werden, so daß der Zustand
der Sicherung leicht erkennbar wird. Gerade bei den reversiblen Änderungen der neuen
Sicherung durch Beeinflussung der neuen Sperrschicht kann es für den Benutzer von Interesse
sein, fortlaufend oder häufig von dem Zustand der Sicherung informiert zu sein.
Mit der erfindungsgemäßen Sicherung hat man die herkömmliche Schmelzsicherungs
technologie mit Schmelzleiter mit an sich bekannter elektronischer Bauteiltechnonolgie, was
die Herstellung von Sperrschichten betrifft, so kombiniert, daß man jetzt eine neue
Sicherungstechnologie bekommt. Über den Steuerkontakt oder über andere physikalische
Größen kann man die neue elektrische Sicherung so beeinflussen, daß sie eine leitende oder
sperrende Verbindung herstellt. Abgesehen von der herkömmlichen Funktion des Schmelzlei
ters wird durch die neue Sperrschicht diesbezüglich ein reversibles Schalten der Sicherung
ermöglicht.
Es ist gemäß der Erfindung weiterhin vorteilhaft, wenn elektrisch parallel zu der Sperrschicht
eine Sprengschicht zwischen den zwei elektrisch leitenden Teilen angeschlossen ist. Zum
Beispiel kann man sowohl die Sperrschicht als auch die Sprengschicht in dichtem Abstand
nebeneinander auf gleicher Höhe zwischen den zwei elektrisch leitenden Teilen durch die oben
beschriebenen Befestigungsarten anbringen. Die explosive Sprengschicht kann erfindungs
gemäß von außen ebenfalls angesteuert werden und ein irreversibles Schalten der Sicherung
ermöglichen. Durch ein Steuersignal kann die Sprengschicht mit der daneben angeordneten
Sperrschicht irreversibel zerstört werden. Vor Inbetriebnahme der Schaltungen muß die
Sicherung dann ausgewechselt werden. Das Sprengen der Schicht kann man zum Beispiel von
einem festgelegten Überstrom abhängig machen.
Im Falle der Parallelschaltung von Sperrschicht zu Sprengschicht ist die Sprengschicht
elektrisch nichtleitend. Alternativ kann erfindungsgemäß aber auch vorgesehen sein, daß
elektrisch in Serie zu der Sperrschicht eine Sprengschicht zwischen den zwei elektrisch
leitenden Teilen angeschlossen ist. In diesem Falle ist die Sprengschicht elektrisch leitend. Ihr
Zustand wird durch das betreffende Auslösesignal und die Sprengung von selbst geändert, die
Sicherung schaltet.
Die neue Sicherungstechnologie erlaubt die Kombination mit einer elektronischen Schalterfunk
tion. Dadurch eröffnen sich neue Anwendungsbeispiele, zum Beispiel das Powermanagement.
Bei diesem wird die erfindungsgemäße Sicherung als Schalter benutzt. Beispielsweise können
zwei Verbraucher durch zugeordnete Sicherungen gemäß der Erfindung jeweils ein- bzw.
ausgeschaltet werden.
Obwohl die neue Sicherung gemäß der Erfindung im Kurzschlußfall wie eine herkömmliche
Sicherung schaltet, wobei dann ein Auswechseln der Sicherung notwendig wäre, kann die
neue Sicherung aber auch in einem Überstromfall geregelt werden, zum Beispiel durch einen
separaten Stromanschluß, und dann bei Bedarf sperren. Die Strom-Zeit-Kennlinie kann so
beeinflußt werden, daß das Schalten bei unterschiedlichen Nennströmen zu unterschiedlicher
Zeit erfolgt. Ohne ein Schmelzen an der Engstelle, also bei Schalten der neuen Sicherung durch
die separate Ansteuerung kann die Sicherung reversibel von dem geschalteten in den nicht
geschalteten Zustand und zurück gewechselt werden. Ein Auswechseln der Sicherung ist
dann nicht mehr notwendig.
Ein irreversibles Schalten kann erfolgen, wenn die Sperrschicht so stark belastet wird, daß
durch die Verlustleistung ab einer bestimmten Stromstärke die Sperrschicht zerstört und damit
nichtleitend wird.
Als Sprengelement kann man bei einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ein Thermoele
ment verwenden, welches bei hohem Stromdurchfluß aufplatzt und einen Sprengeffekt hat.
Alternativ kann man auch eine Chemikalie einsetzen, die beim Durchfluß eines bestimmten
Stromes oder Erreichen einer bestimmten Temperatur die angeschlossenen Kontakte sprengt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgendem Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den
anliegenden Zeichnungen. Bei diesen zeigen:
Fig. 1 die Draufsicht auf die großflächige Seite der neuen Sicherung, deren erstes
elektrisch leitendes Teil in der oberen Hälfte und das zweite in der unteren Hälfte
zu erkennen sind,
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 eine ähnliche Schnittansicht wie Fig. 2, wobei jedoch hier eine andere
Ausführungsform gezeigt ist, bei welcher neben der Sperrschicht auch eine
Sprengschicht angebracht ist, und
Fig. 4 eine Strom-Zeit-Kennlinie einmal für die herkömmliche Sicherung (gestrichelt) und
zum anderen für die neue Sicherung mit der Sperrschicht (durchgezogene Linie).
Ein allgemein mit 1 bezeichnetes erstes elektrisch leitendes Teil ist gemäß den Ausführungen
nach den Fig. 1 und 2 über eine Sperrschicht 2 mit einem allgemein mit 3 bezeichneten
zweiten elektrisch leitenden Teil verbunden. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist neben der
Sperrschicht 2 eine Sprengschicht 4 durch Löten angebracht und in Serie geschaltet, weshalb
diese Sprengschicht 4 in leitendem Zustand ist.
Die Sperrschicht 2 befindet sich in dem Überlappungsbereich 5 der beiden elektrisch leitenden
Teile 1 und 3.
Jedes elektrisch leitende Teil 1 oder 2 weist bezüglich der strichpunktierten Mittellinie 6 oder
Mitte der Sicherung außen einen Anschlußkontakt 7 auf, der durch Stecken, Schrauben,
Krimpen oder dergleichen einen Anschluß an die betreffende elektrische Schaltung ermöglicht.
Dieser Anschlußkontakt 7 gilt sowohl für das obere elektrisch leitende Teil 1 als auch für das
untere Teil 3. Der Anschlußkontakt 7 ist hier ein Steckloch in einer in Draufsicht rechteckigen
Platte 8, die wie das ganze elektrisch leitende Teil 1 bzw. 3 aus einem Kupferblech besteht.
Die Ausnehmung 9 bietet eine Kontur zum Anbringen eines Kunststoffgehäuses, welches
zugleich auch der Stabilisierung der Sicherung dient. Das nicht dargestellte Kunststoffgehäuse
erstreckt auch über den als Engstelle dargestellten Schmelzleiterbereich 10, der ohne Gehäuse
eine mechanische Schwachstelle der länglichen Sicherung darstellen würde.
Auf der einen Seite der Sperrschicht 2 befindet sich also der erste elektrisch leitende Teil 1,
und auf der gegenüberliegenden Seite der Sperrschicht 2 befindet sich der zweite leitende Teil
3. Spricht man von der "elektrisch gegenüberliegenden Seite", dann soll dies bedeuten, daß
das zweite elektrisch leitende Teil 3 nicht nur wie bei der hier dargestellten Ausführungsform
auf der ebenen flachen Seite jeweils gegenüber angebracht ist, sondern die beiden Teile
können an irgendeiner Seite der Sperrschicht 2 irgendwie so angeordnet sein, daß der Strom
von dem einen Teil 1 aber nur über die Sperrschicht 2 zu dem anderen Teil 3 fließen kann.
Aus den Fig. 1 bis 3 erkennt man den Steuerkontakt 11, welcher an der Sperrschicht 2 so
angebracht ist, daß eine gegenüber dem elektrisch leitenden Teil 1 oder 3 angelegte
Steuerspannung die Leitfähigkeit der Sperrschicht 2 zu beeinflussen erlaubt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist flächig auf die Sperrschicht 2 eine Sprengschicht 4
aufgebracht, die somit zwischen der Sperrschicht 2 und dem zweiten elektrisch leitenden Teil
3 angebracht und elektrisch angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform zeigt der Anschluß
12 eine Ansteuermöglichkeit, um die explosive Sprengschicht 4 so zünden zu können, daß
dadurch die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten elektrisch leitenden Teil
1 und 3 im Aktivierungsfalle zerstört wird.
Fig. 4 zeigt die Strom-Zeit-Kennlinie, bei welcher über dem Nennstrom In, die Zeit t
aufgetragen ist. Die gestrichelte Linie stellt die Kennlinie bei herkömmlichen Schmelzsicherun
gen bzw. bei dem klassischen Teil (ohne Sperrschicht und ohne Sprengschicht) der
erfindungsgemäßen Sicherung dar. Man erkennt, daß mit zunehmendem Nennstrom die
Schaltzeit kürzer wird.
Durch die Anordnung der Sperrschicht 2 ist es möglich, ab einem bestimmten Nennstrom In0
die Schaltzeit abrupt und drastisch zu verringern. Das bedeutet im Funktionsfalle, daß ein
Überstrom, welcher den Wert In0 erreicht, die Sperrung der Schicht 2 bewirkt, wodurch die
Sicherung schaltet.
Claims (6)
1. Elektrische Sicherung zum Absichern elektrischer Schaltkreise mit mindestens einem
ersten elektrisch leitenden Teil (1) mit einem Schmelzleiterbereich (10) zum Abschalten
des durch die Sicherung fließenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu
dem Schmelzleiterbereich (10) eine Sperrschicht (2) aus Halbleitermaterial geschaltet und
auf der dem ersten elektrisch leitenden Teil (1) gegenüberliegenden Seite der Sperr
schicht (2) mit einem zweiten elektrisch leitenden Teil (3) verbunden ist.
2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das
zweite elektrisch leitende Teil (1, 3) mit einem Schmelzleiterbereich (10) versehen
ist/sind.
3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (2)
einen Steuerkontakt (11) aufweist.
4. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem
Steuerkontakt (11) ein Anzeigegerät angeschlossen ist.
5. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch
parallel zu der Sperrschicht (2) eine Sprengschicht (4) zwischen den zwei elektrisch
leitenden Teilen (1, 3) angeschlossen ist.
6. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch
in Serie zu der Sperrschicht (2) eine Sprengschicht (4) zwischen den zwei elektrisch
leitenden Teilen (1, 3) angeschlossen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998152115 DE19852115A1 (de) | 1998-11-12 | 1998-11-12 | Elektrische Sicherung mit Schmelzleiter |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE1998152115 DE19852115A1 (de) | 1998-11-12 | 1998-11-12 | Elektrische Sicherung mit Schmelzleiter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19852115A1 true DE19852115A1 (de) | 2000-05-18 |
Family
ID=7887503
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1998152115 Withdrawn DE19852115A1 (de) | 1998-11-12 | 1998-11-12 | Elektrische Sicherung mit Schmelzleiter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19852115A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1583198A2 (de) | 2004-03-29 | 2005-10-05 | HILTI Aktiengesellschaft | Transportable netzgespeiste Elektrowerkzeugmaschine |
US7986212B2 (en) | 2007-05-15 | 2011-07-26 | Yazaki Corporation | Fuse |
US20150369672A1 (en) * | 2014-06-18 | 2015-12-24 | Kidde Technologies, Inc. | Thermal sensor |
US20160047699A1 (en) * | 2012-12-18 | 2016-02-18 | Endress+Hauser Wetzer Gmbh+Co. Kg | Sensorelement, Thermometer sowie Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur |
-
1998
- 1998-11-12 DE DE1998152115 patent/DE19852115A1/de not_active Withdrawn
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8141 | Disposal/no request for examination |