DE3235366A1 - Electrical apparatus with a protective circuit breaker - Google Patents
Electrical apparatus with a protective circuit breakerInfo
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Abstract
Description
Elektrogerät mit SchutzschalterElectrical device with circuit breaker
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrogerät, wie z.B. einen tragbaren Haartrockner, einen Rasierapparat oder dergl-eichen mit einem Schutzschalter, der den Gerätebenutzer vor einem elektrischen Schlag schützen kann.The present invention relates to an electrical appliance such as a portable hair dryer, a shaver or the like with a circuit breaker, which can protect the device user from an electric shock.
Eine besondere Gefahr bei der Benutzung von Elektrogeräten tritt dann auf, wenn ein solches Gerät mit Wasser in Berührung; kommt. So kann es z.B. in einem Bad zu einem tödlichen elektrischen Unfall kommen, wenn etwa ein Haartrockner, auch wenn er sich nicht gerade in Betrieb befindet, i.n eine Badewanne fäl lt.A particular danger then arises when using electrical devices on when such a device comes into contact with water; comes. For example, it can be in a Bathroom can have a fatal electrical accident, if about a hair dryer, too when it is not in use, a bathtub falls.
Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Schaltungen bekannt, di.e einen elektrischen Schlag verhindern oder zumindest zeitlich begrenzen können.Various devices and circuits are known in the art known to prevent electric shock or at least limit it in time can.
Solche Vorrichtungen enthalten meistens einen Differenzstromtransformator, der darüber wacht, daß die Strcmunsymnetrie i.n einer Starkstromleitung einen bestimmten Grenzwert z.B. 30 mA nicht übersteigt.Such devices usually contain a differential current transformer, who watches over the fact that the current unbalance in a power line has a certain Limit value e.g. does not exceed 30 mA.
Diese Vorrichtungen haben den grundsätzl ichen Nachteil, erst anzusprechen, wenn der elektrische Unfall bereits erfolgt ist. Zudem sprechen si.e nur an, wenn der el ektri si erende Strom über eine Erdverbindung fließt. Elektrische Unfälle, bei denen die Stromqymmetri.e der elektrischen Leitungen erhalten bleibt, z.B. dann, wenn die el.ektriesierte Person von Erde isoli-ert ist, werden von Geräten di.eser Art nicht registriert. Ein weiterer grundsätzlicher Nachteil der Di.fferenzstromtransformatoren i.st ihre Ansprechverzögerung, die typi.scherweise bei 2 Netzperioden liegt.These devices have the fundamental disadvantage that they only address if the electrical accident has already occurred. In addition, they only respond if the electrical current flows via an earth connection. Electrical accidents, in which the current symmetry of the electrical lines is retained, e.g. then, When the electrically electrified person is isolated from the earth, devices become di.eser Kind not registered. Another fundamental disadvantage of the differential current transformers i.e. their response delay, which is typically 2 mains periods.
Es wurde auch vorgeschlagen, über die Netzleitungen eines Elektrogerätes einen Triac zu schalten, dessen drei Elektroden i.m Inneren des Gerätes frei zugängl.ich sind. Bei einem Ei.ntauchen des Gerätes ins Wasser erhitzt die Zündelektrode je nach Einbauverhal-tni ssen und und Phasenlage des Netzes einen Zündstrom von Erde oder einer der Hauptelektroden her, so daß der Triac zünden und die Netzlei.tungen kurzschließen kann. Dabei löst die Netzsicherung aus und schaltet das Gerät spannungsfrei.It has also been suggested over the power lines of an electrical appliance to switch a triac, the three electrodes of which are freely accessible inside the device are. When the device is immersed in water, the ignition electrode heats up according to the installation conditions and phase position of the network, an ignition current from earth or one of the main electrodes so that the triac ignites and the power lines can short-circuit. The mains fuse is triggered and the device is de-energized.
Das Verfahren verstößt jedoch gegen internationale Richtlinien, die einen gewollten Kurzschluß zur Geräteabschaltung nicht gestatten.However, the procedure violates international guidelines that Do not allow an intentional short circuit to switch off the device.
Zur einwandfreien Funktion der Einrichtung mußten eine korrekte Hausinstal.latLon und -absicherung sowie eine hinreichend niedrige Netzurpedanz vorausgesetzt werden. Auch gibt es 220V-Netze mit zwei abgesicherten Außenleitem, von denen in der Regel nur einer durch Ansprechen einer Sicherung abgeschaltet würde. In jedem Falle läuft di.e Abschaltung zeitgleich mit dem Unfall ab, d.h. die El.ektrisierung wird zeitlich je nach den Netzeigenschaften begrenzt, jedoch nicht ganz verhindert; denn eine direkte Verbindung Wasser-Netz ist Voraussetzung für das Einleiten des Kurzschlusses.For the device to function properly, a correct House instal.latLon and protection as well as a sufficiently low network impedance are required. There are also 220V networks with two secured external conductors, one of which is usually only one would be switched off by triggering a fuse. In any case it works di.e shutdown at the same time as the accident, i.e. the electrical electrification is timed limited depending on the network properties, but not entirely prevented; because one A direct connection between the water and the network is a prerequisite for initiating the short circuit.
Eine andere Schutzschaltung ist aus der D.T.2 71 05 57 Al bekannt.Another protective circuit is known from D.T.2 71 05 57 A1.
Sie beruht auf einer Messung der elektrischen Impedanz des menschlichen Körpers gegen Masse bzw. gegen einen Außenleiter des Netzes.It is based on a measurement of the electrical impedance of the human Body against ground or against an external conductor of the network.
Die Anwendung dieser Schaltung setzt voraus, daß das zu schützende Gerät eine e] ektrisch 1 eitende Kontaktfläche, z.B. am Handgri.ff aufweist. Diese Kontaktfläche ist über elektronische Bauel.emente mit Netzspannung verbunden, sodaß beim Versagen di.eser Bauelemente eine zusätzliche Gefährdung nicht ausgeschlossen ist.The use of this circuit assumes that the The device has an electrically conductive contact surface, e.g. on the handle. These The contact surface is connected to the mains voltage via electronic components, so that if these components fail, an additional hazard cannot be ruled out is.
Ferner setzt diese Schaltung vor;aus, daß das Gerät in bestimmter, a].so nicht vertauschbarer Weise mit dem Netz verbunden wird. Da die meisten Steckverbindungen, wie etwa der Europastecker, keine ei.ndeutige Zuordnung von Außenleiter und Nulleiter vorsehen, ergibt sich die dem Benutzer unzurtbare Forderung, die richtige Netzverbinung durch Probieren herzustel.len.This circuit also assumes that the device is in certain, a]. is connected to the network in such a way that it cannot be interchanged. Since most of the plug connections, like the European plug, no clear assignment of outer conductor and neutral conductor provide, there is the unshrinkable requirement for the user, the correct network connection by trying them out.
Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß die Schutzfunktion auch bei einer zu niedrigen Impedanz gegen Masse anspricht, also bei einem Betriebszustand, der bei einem Gerät der Schutzkasse II keinerlei Gefahr für den Benutzer bedeutet. Darüberhinaus versagt diese Schutzschaltung voll ständig, wenn ein damit ausge -stattetes Gerät bei einer falsch gepolten Verbindung mit dem Netz, wie eingangs als typische Unfallursache genannt, mit Wasser in Bewahrung kommt.Another disadvantage of this circuit is that the protective function also responds to an impedance to ground that is too low, i.e. in an operating state which in the case of a device of protection class II does not pose any risk to the user. In addition, this protective circuit fails completely if a device is equipped with it Device with an incorrectly polarized connection to the network, as is typical at the beginning Cause of accident named, comes with water in preservation.
In diesem Falle wäre das Gerät zwar nicht fnnktionsberei t, ein el.ektrischer Schlag würde dennoch auftreten, da in diesem Falle der Nut leiter abgeschaltet würde.In this case the device would not be ready for operation, an electrical one Shock would still occur because in this case the groove head would be switched off.
In der DPA 32 08 147,2 ist vorgeschlagen worden, eine elektrische Doppelleitung als Sensor für eingedrungenes Wasser so zu verlegen, daß eine Schutzabschaltung einleitbar ist, bevor mit dem Netz direkt verbundene Teile von einer zusammenhängenden Wassermenge berührt werden können. Als Abschaltelement i.st ein seibstöffnender mechanischer Schalter angegeben, der mittels eines dünnen Drahtes in geschlossener Stellung gehalten ist. Durch ein Signal von der Doppelleitung ist ein Triac zündbar, der den Draht an das Netz schaltet und zum Schmel -zen bringt, so daß der Schalter sich öffnen kann.In DPA 32 08 147.2 has been proposed an electrical Lay the double line as a sensor for ingress of water in such a way that that a protective shutdown can be initiated before parts that are directly connected to the network can be touched by a continuous amount of water. As a shutdown element i.e. a self-opening mechanical switch is specified, which is operated by means of a thin Wire is held in the closed position. By a signal from the double line a triac can be ignited, which connects the wire to the mains and melts it, so that the switch can open.
Ein Nachteil besteht darin, daß der Schmel.zdraht di.rekt aus der geringen Quell.impedanz des Netzes gespeist wird, so daß der Strom bei Erreichen des Schmelzintegrales 12t bereits einen hohen Wert angenommen haben kann. Dieser Strom addiert si.ch zum Verbraucherstrom; der mechanische Schalter muß also einen retativ großen Gesamtstrom abschalten können.A disadvantage is that the melting wire di.rectly from the low source impedance of the network is fed, so that the current is reached when of the melting integral 12t can already have assumed a high value. This Si.ch adds electricity to consumer electricity; so the mechanical switch must have one can switch off relatively large total current.
Das macht den Schalter aufwendig oder erfordert eine zusätzliche Schmelzsicherung zur Unterstützung (Lichtbogenlöschung) des Schalters.This makes the switch complex or requires an additional fuse to support (arc quenching) the switch.
Ausgehend von der DPA 3208147,2 besteht di.e Aufgabe al.so darin, einen nen Schutzschalter abzugeben, der das Netz bei Eintreffen eines Signal es von einem Sensor für Wasser möglichst rasch al lpolig abschalten kann, ohne das Netz kurzschlußartig zu belasten oder den abzuschaltenden Strom im Augenblick des Ansprechens wesentlich zu erhöhen.Based on DPA 3208147.2, the task consists of to deliver a circuit breaker that switches off the network when a signal arrives can switch off all poles from a sensor for water as quickly as possible without the To load the network like a short circuit or to switch off the current at the moment of Significantly increase responsiveness.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, daß ein seibstöffnender mechanischer Schalter mittels einer schmelzbaren Substanz an einem elektrischen Widerstandselement in geschlossener Stellung festgehalten ist, das elektrische Widerstandselement mittels eines Ha3.bl.eiterschalters durch Anschließen an das Netz heizbar ist, so daß der Schalter öffnen kann, sobald durch ein Signal des Sensors fur Wasser der Haibleiterschalter gezündet ist und das elektrische Widerstandselement die Schmelztemperatur der schmelzbaren Substanz erreicht hat.According to the invention, the solution is that a self-opening mechanical switch by means of a fusible substance on an electrical one Resistance element is held in the closed position, the electrical resistance element can be heated by connecting it to the mains using a main switch, see above that the switch can open as soon as a signal from the water sensor The semiconductor switch is ignited and the electrical resistance element has the melting temperature the fusible substance has reached.
In einer vorteil.haften Ausbildung besteht der Schutzschalter aus 2 auf einer Leiterplatte befesti.gten und an den freien Enden durch ein isolierendes Joch miteinander verbundenen Federbügeln, aus einem auf der Lei terplatte befestigten el ektri schen Widerstandselement, an das das Joch mittels einer schmelzbaren Substanz angeheftet ist und 2 Kontaktstiften, die i.n di.eser Stellung mit je einem FederbG-ge] einen elektrischen Kontakt herstellen.In an advantageous embodiment, the circuit breaker consists of 2 on a printed circuit board and attached to the free ends by an insulating Yoke interconnected spring clips, from one on the Lei terplatte attached electrical resistance element to which the yoke is connected by means of a fusible substance is attached and 2 contact pins, each in this position with a FederbG-ge] make electrical contact.
Die Verbindung des Joches mit dem Widerstqndselement ist zweckmEßig durch Verklebung mit einem schmelzbaren Klebstoff hergestellt.The connection of the yoke with the resistance element is expedient by Bonding made with a meltable adhesive.
Es ist auch möglich, diese Verbindung des Joches mit dem Widerstandselement mittels eines schmelzbaren Fadens oder Bandes herzustellen.It is also possible to connect the yoke to the resistance element by means of a fusible thread or tape.
Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail with the aid of the drawings.
Fig.l zeigt beispielhaft den Aufbau eines Schutzschalters im Maßstab 6 : 1.Fig.l shows an example of the structure of a circuit breaker on a scale 6: 1.
Auf einer Leiterplatte 1 sind zwei Federbügel 2 und 3 eingelötet, sowie zwei. Kontaktstifte 4 und 5 und ein Widerstandselement 6. Die Federbügel, die hier die Form von Blattfedern ausweisen, sind so eingelötet bzw. gebogen, daß sie eine Ruhestellung einnehmen können, in der ein Kontakt zwischen diesen und den Kontaktstiften nicht besteht.Two spring clips 2 and 3 are soldered onto a circuit board 1, as well as two. Contact pins 4 and 5 and a resistance element 6. The spring clips, which show the shape of leaf springs here are soldered or bent in such a way that they can take a rest position in which there is contact between them and the Contact pins does not exist.
Im Betriebszustand sind die Federbügel. herabgebogen, so daß sie mit Vorspannung auf den Kontaktstiften aufliegen. An ihrem freien Ende sind die Federbügel mittels eines isolierenden Joches 7 miteinander verbunden und an dem Widerstandselement mit einem schmelzbaren Klebstoff 8 angeklebt. Geeignete Klebstoffe sind unter der Allgemeinbezeichnung Schmelzkleber im Handel. A] 5 Widerstandsel.ement kOmmt ein handelsüblicher Mini.atur-Drahtwiderstand In Betracht. Besonders geeignet ist eine Ausführung mit etwa den Abmessungen 2 mn x 6 mm Länge, einem Wickelkern aus Glasfasern und offenliegender einlagiger Drahtwicklung. Die Wicklung ist mit einem Schmelzkleber dünn beschichtet. Der Widerstandswert für den Betrieb am 220V-Netz kann z.B.The spring clips are in operating condition. bent down so that they are with Pre-tension on the contact pins. The spring clips are at their free end connected to each other by means of an insulating yoke 7 and attached to the resistance element glued with a fusible adhesive 8. Suitable adhesives are under the General name of hot melt adhesive in the trade. A] 5 resistance element comes in Commercially available miniature wire resistor into consideration. One is particularly suitable Version with approximately the dimensions 2 mn x 6 mm in length, a winding core made of glass fibers and exposed single layer wire winding. The winding is with a hot melt adhesive thinly coated. The resistance value for operation on the 220V network can e.g.
330 (Ün betragen.330 (Ün.
Das Joch 7 soll. sicherstellen, daß ungeachtet von möglichen Ungleichmäljigkeiten des Klebstoffes nach einer Auslösung stets beide Federbügel zugleich nach oben schwingen und zwangsweise beide Kontaktstellen öffnen. Um die Öffhungsgeschwindigkeit nicht stark zu verringern, ist das Joch soweit wie möglich erleichtert. Auch soll durch Material und Formgebung verhindert werden, daß Wärme, die bei starker Strombelastung der Kontaktstellen entsteht, auf die Klebeste]le übertragen wird. Die verjüngte Form der Federbügel soll durch Verringerung der Masse ebenfalls eine hoere Öflnungsgeschwindigkeit erbringen.The yoke 7 should. ensure that regardless of possible inequalities of the adhesive always swing both spring clips upwards at the same time after a release and forcibly open both contact points. Not about the opening speed To reduce it greatly, the yoke is lightened as much as possible. Also should through The material and shape prevent heat from being generated when there is a high current load of the contact points is created, onto which the adhesive is transferred. The rejuvenated The shape of the spring clip should also increase the opening speed by reducing the mass provide.
An einem ausgeflihrten Muster ergeben sich etwa folgende Daten: Nach dem Zünden des Halbleiterschalters wi.rd ein Strom von i.m Mittel 0,67A aufgenommen, der klein ist im Verhältnis zu dem Nennstrom eines 1500-Watt-Haartrockners von 6,8A.The following data can be obtained from an executed sample: After When the semiconductor switch is triggered, a current of an average of 0.67A is consumed, which is small in relation to the rated current of a 1500 watt hair dryer of 6.8A.
Die an dem Widerstandselement anfal]ende Leistung von 146W im Mittel bzw. 29ow als Spitzenwert erwärmt dieses je nach der Phasen].age zu Beginn der Auslösung in ca. 1 bi.s 3 Mi llisekunden auf die Schmblztemperatur von ca. 1200C, so daß die Klebestelle sich ist.Average power at the resistor element is 146W or 29ow as the peak value, this heats up depending on the phases] .age at the beginning of tripping in about 1 to 3 milliseconds to the melting temperature of about 1200C, so that the Splice is itself.
Die Federbügel stehen unter einer Anfangskraft von etwa 1,2N, die effektive Masse beträgt 80 mg. Daraus resultiert eine Anfangsbeschleunigung von 1500g und eine Öffnungszeit für 3 mm Kontaktabstand von etwa 1 Millisekunde. Während dieser Zeit kann die Temperatur des Widerstandselementes weiterhin steigen, jedoch nicht auf Werte, die zum Durchbrennen führen, da hierfür eine um Faktoren längere Zeit nötig wäre. Nach dem Öffnen der beiden Kontaktstelien sind die Netzleitungen 9 und 10 sowohl von dem Schutzschalter als auch den Ver braucherleitungen 11 und 12 abgetrennt.The spring clips are under an initial force of about 1.2N, the effective mass is 80 mg. This results in an initial acceleration of 1500g and an opening time for 3 mm contact distance of about 1 millisecond. While During this time the temperature of the resistance element can continue to rise, however not to values that lead to burnout, as this is a factor longer Time would be needed. After opening the two contact points, the power lines are 9 and 10 of both the circuit breaker and the consumer lines 11 and Ver 12 separated.
Eine weitere Verkürzung der Abschaltverzögerung ist durch Verwendung einer Wi.derstandsschicht auf Basis Metal.loxid auf einem ebenen Keramiksubstrat möglich, da das Verhältnis von möglicher Impulsleistung zu Wärmekapazität von Widerstands- und Klebstoffschicht verbessert würde.Another shortening of the switch-off delay is by using a resistance layer based on metal oxide on a flat ceramic substrate possible, since the ratio of possible pulse power to heat capacity of resistance and adhesive layer would be improved.
Statt einer wärmeempfindlichen Verklebung kann auch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Joch 7 und dem Widerstandselement 6 durch Umschlingen mit einem schmelzbaren Faden oder einem schmelzbaren dünnen Band hergestellt werden.Instead of a heat-sensitive bond, a form-fitting bond can also be used Connection between the yoke 7 and the resistance element 6 by looping with it a fusible thread or a fusible thin ribbon.
Fig.2 stell.t eine elektronische Auslöseschaltung dar, deren Elemente auf der gleichen Leiterplatte unterzubringen sind.Fig.2 represents an electronic trip circuit, the elements are to be accommodated on the same circuit board.
Die Netzleitungen 9 und 10 sind über zwei Schalter, bestehend aus den Federbügeln 2 und 3 und den Kontaktstiften 4 und 5 an die Verbraucherleitungen 11 und 12 geführt. In der Diagonale eines Diodenquartetts 13,14,15,16 befinden sich das Widerstandselement 6 und ein Thyristor 17 mit Schutzkondensator 18. Gegenüber einem Triac, der anstelle des Thyristors ohne das Dioden-Quartett einsetzbar wäre, elh gibt sich der Vortei] einer verminderten Wahrscheinlichkeit einer ungewollten Über-Kopf-Zündung, da der Kondensator 18 auf den Scheite]wert der Netzspannung aufgeladen ist, und damit die Dioden meistens gesperrt bleiben. Der Widerstand 19 und Kondensator 20 dienen ebenfalls der Absicherung gegen Störimpul æ.The power lines 9 and 10 are composed of two switches the spring clips 2 and 3 and the contact pins 4 and 5 to the consumer lines 11 and 12 out. In the diagonal of a diode quartet there are 13,14,15,16 the resistance element 6 and a thyristor 17 with protective capacitor 18. Opposite a triac that could be used instead of the thyristor without the diode quartet, There is also the advantage of a reduced likelihood of an unwanted one Overhead ignition, since the capacitor 18 is charged to the billets] value of the mains voltage is, and so that the diodes remain mostly blocked. The resistor 19 and capacitor 20 also serve to protect against interfering impulses æ.
Über zwei Hochchmwiderstände 21 und 22 sind zwei Sensorleitungen 23 und 24 angeschlossen, um Wasserbenetzung zu erfassen. Da für diese Anwendung der kleinste handelsübliche Thyristor ausreicht, der zur Zündung weniger als 200 Mikroampere benötigt, können die Wi.derstände 21,22 Werte um 120 kOhm aufweisen, so daß die möglichen Ab].eitstrom'e von den Sensorleitungen ungefährlich bleiben (unter 2mA). Damit i.st die Voraussetzung einer doppelten Iso]ation sowie eines zeit]ichen Vorlaufs der Auslösung vor dem Beginn einer ernstlichen Elektrisierung gegeben, wie in der DPA 3208147,2 näher ausgeftihrt i.st.Two sensor lines 23 are connected via two high-temperature resistors 21 and 22 and 24 connected to detect water wetting. Since the The smallest commercially available thyristor is sufficient, the one that ignites less than 200 microamps required, the resistors 21.22 have values around 120 kOhm, so that the possible discharge currents from the sensor lines remain harmless (below 2mA). Thus it is the requirement of a double isolation as well as one well in advance of tripping before serious electrification begins given, as detailed in DPA 3208147.2 i.st.
Die Vorteile des beschriebenen Schutzscha] ters bestehen in den äußerst geringen Herstellkosten, der großen Funktionssicherheit wegen des Fehlens mechanisch komplizierter Zusammenhänge und geringer Bautei] ezahl, der Sicherheit gegen ungewollte Auslösung wegen einer Entkopplung des Halbleiterschalters vom Netz durch das Widerstandselement 6, wodurch ein Kondensator 18 erst wirksam werden kann.The advantages of the protection switch described are extremely low manufacturing costs, great functional reliability due to the lack of mechanical Complicated relationships and low number of components, security against unintentional Tripping due to a decoupling of the semiconductor switch from the network by the resistance element 6, whereby a capacitor 18 can only become effective.
Ferner ist der Schutzschalter uneepfindiich gegen Schock und Vibration bis über lOOOg, da das Verhältnis von rückha]tender Kraft (Klebung) und der Masse sehr groß ist. Je nach Wah] der schmelzbaren Substanz kann auch Temperatur-Unempfindlichkeit bis über 1000C erreicht werden.Furthermore, the circuit breaker is impervious to shock and vibration up to over 1000g, as the relationship between the restraining force (adhesion) and the mass is very big. Depending on the fusible substance, there may also be temperature insensitivity can be reached up to over 1000C.
Die Abschalteigenschaften sind durch Netzimpedanz und Netzabsicherung nicht beeinflußt.The shutdown properties are due to the network impedance and network fuse protection unaffected.
Die geringen Abmessungen von z.B. 20x20x10 mm3 erlauben den Einbau auch in kleine Elektrogeräte.The small dimensions of e.g. 20x20x10 mm3 allow installation even in small electrical appliances.
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