DE3128090C2 - Thermischer Zeitschalter - Google Patents

Abstract

Es wird ein Zeitschalter beschrieben, der aus einem Bimetalltemperaturschalter und einem dessen Bimetallelement beheizenden Dickschichtwiderstand besteht. Der Bimetall temperaturschalter befindet sich in einem flachen Kunststoffgehäuse, auf dessen einer Breitseite der Dickschichtwiderstand angeordnet ist. Zur Verringerung der Ansprechzeit ist mit dem Dickschichtwiderstand ein Kaltleiter in Reihe verbunden.

Description

45

Die Erfindung befaßt sich mit thermischen Zeitschaltern mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiger Zeitschalter ist aus dem se DE-GM 79 20 923 bekannt.

Ein solcher Zeitschalter eignet sich für einfache Anwendungen, in denen der Widerstand im Normalbetriebszustand permanent von Strom durchflossen wird. Eine Störung des Normalbetriebszustandes kann in einem Absinken bzw. Ausbleiben des Stromes oder auch in einem Ansteigen des Stromes, der durch den Dickschichtwiderstand fließt, bestehen. Im ersten Fall wird der Zeitschalter so ausgelegt, daß die Schalttemperatur des Bimetallclements unter der Normalbetriebstemperatur liegt, während sie im zweiten Fall über der Normalbetriebstemperatur liegt. In beiden Fällen erfolgt das Umschalten als Reaktion auf die Betriebsstörung mit einer zeitlichen Verzögerung, die von der thermischen Trägheit der Schalterkomponenten, insbesondere des Dickschichtwiderstandes, des Gehäuses und des Bimetallelements abhängt.

Ein solcher Zeitschalter eignet sich ferner für solche Anwendungen, bei denen der Dickschichtwiderstand im Normalfall nicht vom Strom durchflossen wird und dabei Umgebungstemperatur aufweist; wenn dann der Dickschichtwiderstand nach Betätigen eines Schalters von Strom durchflossen wird, steigt die Temperatur des Zeitschalters an und bei Oberschreiten der oberhalb der Umgebungstemperatur liegenden Schalttemperatur des Zeitschaltes schaltet dieser um. Zum Beispiel kann der Dickschichtwiderstand so im Stromkreis eines elektrischen Gerätes angeordnet sein, das beim Einschalten des Gerätes der Dickschichtwiderstand vom Strom durchflossen wird und nach Oberschreiten der Schalttemperatur der Zeitschalter das Gerät einschaltet und nach Unterbrechen der Heizung mit Verzögerung wieder automatisch ausschaltet In dieser Weise kann der Zeitschalter z.B. in elektrischen Lüftern verwendet werden.

Wegen der nur geringen Wärmeentwicklung des Dickschichtwiderstandes werden auch bei permanenter Widerstandsheizung die Temperaturen auf ein verhältnismäßig niedriges und problemloses Niveau begrenzt Um dennoch den Bimetalltemperaturschalter hinreichend zuverlässig betreiben zu können, muß dieser hinreichend klein sein und eine gute Wärmeübertragung ermöglichen. Die Wahl eines flachen Kunststoffgehäuses für den Bimetalltemperaturschalter, auf dessen einer Breitseite sich der Dickschichtwiderstand befindet, geht aus von der Erkenntnis, daß zwar das Kunststoffgehäuse ein schlechter Wärmeleiter ist, daß aber die geringe Wärmekapazität des Kunststoffgehäuses wichtiger ist, wenn es darum geh*, trotz geringer Wärmezufuhr oder bei Abkühlung des Schalters die Schalttemperatur nicht zu langsam zu erreichen.

Im einfachsten Falle klebt man den Dickschichtwiderstand, der üblicherweise in Gestalt einer dünnen beschichteten Sinterkeramikplatte vorliegt, mit der beschichteten Seite außen auf das Gehäuse des gekapselten Bimetalltemperaturschalters auf. Er kann jedoch auch im Gehäuse auf der Gehäuseinnenwand angebracht sein. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß man mit äußerst geringer Wärmeerzeugung im Dickschichtwiderstand arbeiten kann und daß Schwankungen der Umgebungstemperatur in ihrem Einfluß auf das Ansprechverhalten des Zeitschalters herabgesetzt sind.

Anstatt den Dickschichtwiderstand auf das Gehäuse aufzukleben, kann man ihn auch lose auf das Gehäuse auflegen und dann beide gemeinsam mit einem Silikonschlauch umgeben, der sie fest zusammenhält

Anstatt die Sinter?;eramikplatte mit der beschichteten Seite auf das Gehäuse aufzulegen, kann man sie auch umgekehrt mit nach außen weisender Schichtseite anordnen. Dies hat den Vorteil, daß die Wärme, die im Dickschichtwiderstand erzeugt wird, gleichmäßiger auf das Gehäuse übertragen und die Möglichkeit einer lokalen Überhitzung ausgeschlossen wird. Bei dem bekannten Zeitschalter kann man die Ansprechgeschwindigkeit praktisch nur erhöhen, indem man den Strom steigert, der durch den Dickschichtwiderstand fließt, oder indem man den ohmschen Widerstand des Dickschichtwiderstands verkleinert. Dadurch könnte die sich bei konstantem Stromfluß einstellende Gleichgewichtstemperatur aber erheblich über die zulässige Höchsttemperatur des Kunststoffgehäuses ansteigen und dieses Schaden nehmen. Aus der DE-OS 26 41 014 ist ein thermischer Zeitschalter bekannt, welcher in einem isolierenden Gehäuse einen Bimetalltemperaturschalter, einen dessen Bimetallelement beheizenden Widerstand in Form einer Drahtwendel sowie einen mit dieser in

Reihe geschalteten Kaltleiter aufweist, welcher die Schaltverzögerungszeit steuert, indem er — im Vergleich zu einem Zeitschalter ohne den Kaltleiter — den Temperaturanstieg im Zeitschalter verringert. Die Ansprechzeit wird in erster Linie durch den Kaltleiter bestimmt, dessen Curie-Punkt unterhalb der vorgegebenen Schalttemperatur liegt. Dabei ist nachteilig, daß die Widerstandstoleranzen, mit denen handelsübliche Kaltleiter behaftet sind, sich in entsprechend großen Schwankungen der Ansprechzeit niederschlagen. Demgegenüber lassen sich Dickschichtwiderstände leicht mit engen Toleranzen ihres Widerstandswertes fertigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Zeitschalter einfachster Bauart, wie er aus dem DE-GM 79 20 923 bekannt ist, die Ansprechgeschwinüigkeit auf besonders einfache Weise zu steigern, ohne daß die Gefahr einer Überhitzung des Gehäuses besteht und ohne die Ansprechzeittoleranzen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch einen Zeitschalter mit den im Patentanspruch ί angegebenen Merkmalen gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der neue Zeitschalter eignet sich vor allem für Fälle, in denen die Schalttemperatur oberhalb der Normalbetriebstemperatur liegt, und zwar insbesondere dann, wenn der Zeitschalter sich normalerweise auf Umgebungstemperatur befindet, also im Normalzustand der Dickschichtwiderstand nicht von Strom durchflossen ist

Durch den Einsatz eines zusätzlichen Kaltleiters, der mit dem Dickschichtwiderstand in Serie verbunden ist, kann man einen kleineren Dickschichtwiderstand wählen und dennoch eine Überhitzung des Gehäuses vermeiden, weil zunächst bei niederer Temperatur der ohmsche Widerstand des Kaltleiters im Bereich unterhalb des Curie-Punktes relativ klein bleibt und sich nicht stark ändert. Erst wenn die Temperatur des Kaltleiters den Curie-Punkt erreicht, erfolgt ein so starker Anstieg des Widerstandes, daß die Wärmeentwicklung gebremst wird. Dabei soll die Schalttemperatur des Zeitschalters unterhalb des Curie-Punktes liegen, damit die Schalttemperatur auch sicher erreicht wird, und außerdem soll der Curie-Punkt des Kaltleiters nicht oberhalb der zulässigen Höchsttemperatur des Gehäuses liegen, damit dieses vor den Auswirkungen einer zu hohen Temperatureinwirkung geschützt ist

Die Streuung der Ansprechzeiten infolge der unvermeidlichen Toleranzen der Kaltleiter-Widerstandswerte werden gering gehalten, indem man den ohmschen Widerstand des Kaltleiters bei Umgebungstemperatur wesentlich niedriger wählt als den ohmschen Widerstand des Dickschichtwiderstandes, der nur mit geringen Toleranzen behaftet ist

In einem praktischen Beispiel erreicht ein Schalter mit einem 40 kfi-Dickschichtwiderstand, der an 220 Volt elektrische Spannung angeschlossen ist, ausgehend von einer Umgebungstemperatur von 20⁰C seine vorgegebene Schalttemperatur von 100⁰C nach einer Ansprechzeit von etwa 2 Minuten. Das Gehäuse erreicht dabei eine Endtemperatur von 150⁰C, die noch zulässig ist Ersetzt man den 40 kfl-Dickschichtwiderstand durch einen solchen, der nur 20 kn aufweist, dann erreicht der Schalter die Schalttemperatur von 100⁰C nach etwa 1 Minute, jedoch steigt die Endtemperatur des Gehäuses auf eine Temperatur von 220⁰C, was unzulässig ist. Schaltet n.an mit dem 20 kQ-Dickschichtwiderstand einen Kaltleiter in Serie, der einen Curie-Punkt von 150⁰C und bei Normaltemperatur einen ohmschen Widerstand von 2.4 kO, ± 20% besitzt, dann erreicht der Schalter seine Schalttemperatur von 100⁰C nach etwas mehr als 1 Minute und die Endtemperatur des Gehäuses liegt kaum oberhalb 150° C auf einem zulässigen Wert Die Steuung der Widerstandskennwerte der Kaltleiter von ±20% führt jedoch bei der gewählten Bemessung nur zu einer Streuung der Ansprechzeiten des Zeitschalters von ±2 % und ist für einfache Anwendungen vernachlässigbar.

Der Kaltleiter kann sich auf demselben Träger wie der Dickschichtwiderstand befinden (Anspruch 2). Zum Beispiel kann sich der Dickschichtwiderstand auf der Innenseite einer Gehäusewand befinden, während sich der Kaltleiter auf der Außenseite derselben Gehäusewand befindet Beide können aber auch auf einer gemeinsamen Trägerplatte des Gehäuses liegen.

Zur weiteren Einstellung der Ansprechzeiten kann ein einstellbarer Dickschichtwiderstand verwendet werden (Anspruch 4), oder ein als Drehpotentiometer ausgebildeter Dickschichtwiderstand (Anspruch 5), dessen mit der beschichteten Seite nach auP'i weisende Sinterkeramikpiatic mit der unbeschichtetsr. Seite auf einer Breitseite des Gehäuses aufliegt

Ein transparentes oder transluzentes Gehäuse empfiehlt sich, wenn auch Wärmestrahlung nennenswert zur Erwärmung bzw. Abkühlung des Bimetallelements beitragen soll.

Ein rasches Ansprechen des Zeitschalters wird auch dadurch gefördert daß sich das Bimetallelement des Schalters auf der dem Dickschichtwiderstand zugewandten Seite des Schalters befindet.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in den zwei Zeichnungen dargestellt,

F i g. 1 ist ein senkrecht durch die Breitseiten des Gehäuses gelegter Längsschnitt durch einen Zeitschalter und

F i g. 2 ist ein Schnitt analog F i g. 1 durch einen Zeitschalter mit einstellbarem Dickschichtwiderstand.

Der Zeitschalter gemäß F i g. 1 besteht aus einem in ein Gehäuse 8 gekapselten Bimetalltemperaturschalter und einem Dickschichtwiderstand 12, der mit seiner mit der iViderstandsbahn beschichteten Seite mit einer Breitseite des Gehäuses 8 verklebt ist. In F i g. 1 sind die Enden der zur Widerstandsbahn führenden Leiterbahn 13 auf dem plattenförmigen Träger des Dickschichtwiderstandes zu sehen; sie sind über zwei Lötpunkte 14 mit elektrischen Zuleitungen 15 verbunden.

Das Gehäuse 8 besteht aus formbeständigem, transparentem Kunststoff, vorzugsweise aus Polybutylenterephtalat Auf der vom Dickschichtwiderstand 12 entfernt liegenden Gehäuseinnenseite (Breitseite) verläuft eine elektrische Zuleitung 3 zum unbeweglichen Kontaktstück 4. Über de* Zuleitung 3 ist etwa in der Gehärieinitte die Kontaktfeder 1 mit dem beweglichen Kontaktstück 2 an ihrer Spitze angeordnet Die Kontaktfeder 1 und die Zuleitung 3 werden durch zwei in das Gehäuse 8 eingeschobene Füllstücke 6 und 7 aus Kunststoff eingespannt und auf Distanz gehalten. Die Gehäuseöffnung, welche an dem von den Kontaktstükken 2 und 4 entfernten Gehäuseende liegt, ist durch eine Gießharzmasse 9 ausgefüllt, durch die die beiden Zuleitungen 10 zum Bimetalltemperaturschalter herausgeführt sind.

Aus der Kontaktfeder 1 sind zwei Laschen 11 ausgestanzt und hakenförmig nach oben gebogen. Sie halten zwischen sich eine Bitnetallschnappscheibe 5, die lose auf der Außenseite der Kontaktfeder 1 liegt und damit nur durch die obere transparente Gehäusewand von der beschichteten Seite des Dickschichtwiderstandes 12 ge-

trennt ist. Unter einer Schnappscheibe versteht man ein in eine gekrümmte Form geprägtes Bimetallelement, welches bei Überschreiten oder Unterschreiten seiner Schalttemperatur abrupt seine Krümmung von konkav zu konvex oder umgekehrt wechselt. Zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit weist die Schnappscheibe 5 mit ihrer aktiven Seite nach außen. Unter der aktiven Seite des Bimetallelements wird die Seite verstanden, die aus dem Material mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht. Wendet man diese Seite der Wärmequelle zu, so wird mit ihr bevorzugt jene Seite erwärmt, welche in erster Linie für das Ändern der Krümmung verantwortlich ist.

Der Zeitschalter läßt sich sehr kompakt herstellen. Bewährte Abmessungen sind: Länge 15—20 mm, Breite 5—8 mm. Dicke ca. 3—4 mm.

Zusätzlich zum Dickschichtwiderstand 12 ist auf dessen Rückseite ein Kaltleiter 16 vorgesehen. Der Kaltleiter 16 kann auf der keramischen Trägerplatte des Dickschichtwiderstandes 12 aufgeklebt und/oder durch ei- nen nicht dargestellten Silikonschlauch, der den kompletten Zeitschalter straff umschließt, befestigt sein. Der Kaltleiter 16 ist mit dem Dickschichtwiderstand 12 über lediglich schematisch angedeutete Verbindungsleitungen 17 elektrisch in Serie verbunden.

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Zeitschalter sind Teile, die Teilen des Zeitschalters aus F i g. 1 entsprechen, mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.

Der in F i g. 2 gezeigte Zeitschalter unterscheidet sich von dem in Figur dargestellten Zeitschalter darin, daß 30 der Dickschichtwiderstand 12 als Drehpotentiometer ausgebildet ist; deshalb weist bei dieser Ausführungsform der Dickschichtwiderstand mit seiner Schichtseite, welche den Einstelldrehknopf 18 trägt, nach außen und der PTC-Widerstand 16 ist auf der gegenüberliegenden 35 Breitseite des Gehäuses 8 angeordnet.

Hierzu 2 Blatt Zfichnunccn 40

50

55

60

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Thermischer Zeitschalter, bestehend aus einem

in ein flaches, vorzugsweise aus Kunststoff bestehendes Gehäuse gekapselten Bimetalltemperaturschalter und einem dessen Bimetallelement beheizenden elektrischen Dickschichtwiderstand, der an einer Breitseite des Gehäuses aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Kaltleiter (= PTC-Widerstand (16) vorgesehen ist, der mit dem Dickschichtwiderstand (12) elektrisch in Reihe verbunden ist und dessen Curie-Punkt oberhalb der Schalttemperatur liegt, aber nicht höher als die zulässige Höchsttemperatur des Kunststoffge- ts häuses (8), und daß bei Normalbetriebstemperatur des Zeitschalters der ohmsche Widerstand des Kaltleiters (16) wesentlich geringer ist als der ohmsche Widerstand des Dickschichtwiderstands (12).

2. Zeitschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dagder Kaltleiter (16) und der Dickschichtwiderstand (12) auf demselben Träger angeordnet sind

3. Zeitschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltleiter (16) und der Dickschichtwiderstand (12) auf gegenüberliegenden Seiten eines plattenförmigen Trägers angeordnet sind.

4. Zeitschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dickschichtwiderstand (12) einstellbar ist.

5. Zeitschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daL der Dickschichtwiderstand (12) als Drehpotentiometer auf gebildt "ist

6. Zeitschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichr*· *, daß das Gehäuse (8) bei außen auf dem Gehäuse (8) angeordnetem Dickschichtwiderstand (i2) transparent oder transluzent ist.

7. Zeitschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß sich das Bimetallelement (5) des Schalters auf der dem Dickschichtwiderstand (12) zugewandten Seite des Schalters befindet