DE60003305T2 - ELECTRICAL LOW-POWER SWITCHING MECHANISM WITH ACTIVE MATERIAL AND RELATED CONTROL SWITCHING - Google Patents

ELECTRICAL LOW-POWER SWITCHING MECHANISM WITH ACTIVE MATERIAL AND RELATED CONTROL SWITCHING Download PDF

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Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Schaltmechanismen und insbesondere derartige Mechanismen, die in elektrischen Sicherheitseinrichtungen, wie beispielsweise Reststrom-Ausschaltern eingesetzt werden, und eine elektrische Treiberschaltung, die für den Einsatz mit diesen Mechanismen geeignet ist.The present invention relates to electrical switching mechanisms and in particular such mechanisms, those in electrical safety devices such as Residual current switches are used, and an electrical driver circuit, the for is suitable for use with these mechanisms.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION

In unseren früheren internationalen Patentanmeldung WO-A-98/40917 wird eine neuartige Form eines elektrisch aktivierten mechanischen Auslösemechanismus offenbart, die als Stellglied bezeichnet wird, der das Verformungsverhalten von Biegegliedern aus aktivem Material bzw. aktiven Materialbiegern verbessert, bei denen Materialien wie beispielsweise Piezokeramik eingesetzt werden. Ein Merkmal aller aktiven Materialien besteht darin, dass sie relativ ineffektiv sind und Kopplungskoeffizienten zwischen der Treibereinrichtung und dem Ausgang von Bruchteilen eines Prozent haben. Daher sind für Stellglieder bzw. Betätigen, bei denen derartige Materialien eingesetzt werden, häufig starke Felder erforderlich, seien es nun magnetische oder elektrische. Es hat sich jedoch trotz dieses Nachteils herausgestellt, dass mit einem Stellglied, bei dem ein Biegeglied aus aktivem Material eingesetzt wird, ein Erzeugnis mit guten mechanischen Eigenschaften entstehen kann.In our previous international patent application WO-A-98/40917 discloses a novel form of an electrically activated one mechanical release mechanism disclosed, which is referred to as an actuator, the deformation behavior of bending members made of active material or active material benders improved where materials such as piezoceramic be used. There is a characteristic of all active materials in that they are relatively ineffective and coupling coefficients between the driver device and the output of fractions of a percent to have. Therefore, for actuators or press, where such materials are used, often strong Fields are required, be they magnetic or electrical. Despite this disadvantage, it has been found that with an actuator using a flexure made of active material will result in a product with good mechanical properties can.

Das Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist das Gebiet von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (Residual Current Devices), die als RCD bekannt sind. Dieser Begriff bezieht sich auf Fehlerstrom-Ausschalter, die nicht mit Strombegrenzungsfähigkeit ausgestattet sind, sowie Fehlerstrom-Ausschalter mit Überlast, die Strombegrenzungsabschnitte aufweisen.The area covered by the present Invention relates to the field of residual current devices (Residual current devices) known as RCD. This term Refers to residual current circuit breakers that do not have current limiting capabilities are equipped, as well as residual current circuit breakers with overload, which have current limiting sections.

RCD funktionieren, indem der Strom, der in den stromführenden und den neutralen Leitern fließt, dem Grundsatz zufolge verglichen wird, dass er gleich und entgegengesetzt sein sollte. Eine Änderung der Ströme zeigt einen Leckverlust aus dem Stromkreis an, der normalerweise eine Feuergefahr oder die Gefahr von Stromschlag für einen Menschen anzeigt.RCD work by the current, the in the live and flows to the neutral conductors In principle, it is compared that it should be the same and opposite should. A change of the currents indicates a leak from the circuit that is normally a fire hazard or electric shock hazard to you Displays people.

RCD werden in vielen Formen hergestellt, so als Zwischenstücke, Stecker, elektrische Steckdosen und Konsumelektronikvorrichtungen. Hinsichtlich der Leistung können die Vorrichtungen in zwei spezielle Typen unterteilt werden.RCDs are made in many forms, so as intermediate pieces, Plugs, electrical sockets and consumer electronics devices. In terms of performance the devices are divided into two special types.

Netzabhängige Vorrichtungen nutzen elektronische Verarbeitung, um den Differenzstrom zu messen und dann ein Betätigungsglied auszulösen, das bewirkt, dass der Stromkreis geöffnet wird. Diese Vorrichtungen sind vorteilhaft, da sie flexibel und zuverlässig sind, weil ihr Auslösepegel durch die Auswahl von Schwellenwiderständen eingestellt werden kann, und die Auslösewirkung hängt nicht von der Energie innerhalb des fehlerhaften Bereiches ab, da die Elektronik auf die Netzversorgung zurückgreifen kann, um das Betätigungsglied zu speisen.Use network-dependent devices electronic processing to measure the differential current and then an actuator trigger that causes the circuit to open becomes. These devices are advantageous because they are flexible and reliable are because of their trigger level can be set by selecting threshold resistances, and the triggering effect does not hang on the energy within the faulty area since the Electronics can access the power supply to the actuator to dine.

Netzunabhängige Vorrichtungen nutzen Energie aus dem fehlerhaften Bereich selbst, um den Auslösevorgang in Gang zu setzen. Dies wird am häufigsten durch den Einsatz eines Permanentmagnet-Relais erreicht. Die Prinzipien von Permamentrelais sind bekannt, zusammenfassend lässt sich jedoch sagen, dass ein bewegliches Metallteil durch einen geeigneten Permanentmagneten, der von einer Spule umgeben wird, in einer ersten Position gehalten wird. Wenn ein Fehlerstrom fließt, induziert er einen Strom in einem Toroidtransformator, der mit der den Magneten umgebenden Spule verbunden ist. Der Stromfluss wird gleichgerichtet, so dass das mit ihm verbundene Magnetfeld dem des Permanentmagneten entgegengesetzt ist, bis das bewegliche Teil freigegeben wird. Um hochempfindliche Relais zu erzeugen, müssen die aneinanderliegenden Flächen der Metallteile außerordentlich glatt sein, und das System muss vollständig sauber sein. Die Vorgänge des Glättens und des Zusammensetzens sind daher teuer.Use off-grid devices Energy from the faulty area itself to trigger the operation to start. This is most often caused by use of a permanent magnet relay reached. The principles of permanent relay are known, in summary say, however, that a movable metal part is replaced by a suitable one Permanent magnet, which is surrounded by a coil, in a first Position is held. If a fault current flows, induced a current in a toroidal transformer that matches that of the magnet surrounding coil is connected. The current flow is rectified, so that the magnetic field associated with it is that of the permanent magnet is opposite until the moving part is released. Around To produce highly sensitive relays, the adjacent ones must Areas of the Metal parts extraordinary be smooth and the system must be completely clean. The operations of the smoothing and assembly are therefore expensive.

Eine derartige Fehlerstrom-Schutzeinrichtung wird in DE 3 723 568 offenbart, die eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung beschreibt, die mit einem Stromtransformator versehen ist, dessen Sekundärkreis einen Rechteckgenerator und einen Messwiderstand enthält, der so eingerichtet ist, dass er einer Bewertungseinheit in Reaktion auf ein Stromungleichgewicht zwischen den entsprechenden Strömen in einer ersten und einer zweiten Primärspule des Transformators eine Ausgangs-Ansteuerspannung zuführt. Des Weiteren wird eine Auslöseeinheit offenbart, die so eingerichtet ist, dass sie auslöst, wenn die Ausgangs-Ansteuerspannung einen Schwellenwert übersteigt. Im normalen Betrieb ist der Transformator nahe an der Sättigungsgrenze.Such a residual current device is in DE 3 723 568 discloses a fault current protection device which is provided with a current transformer, the secondary circuit of which contains a square-wave generator and a measuring resistor which is set up to be used by an evaluation unit in response to a current imbalance between the corresponding currents in a first and a second primary coil of the transformer supplies an output control voltage. Furthermore, a tripping unit is disclosed which is set up in such a way that it triggers when the output drive voltage exceeds a threshold value. In normal operation, the transformer is close to the saturation limit.

Unsere internationale Patentanmeldung WO98/40917 offenbart eine neuartige Form von Betätigungselement, das sich für aktive Materialien eignet und als Planar-Bimorph bezeichnet wird. Die gleiche Patentanmeldung offenbart des Weiteren ein Verfahren für den Einsatz derartiger Betätigungselemente zum Auslösen von Mechanismen. Derartige Systeme machen eine hohe Spannung erforderlich, um zu arbeiten, und derartige Spannungen können zur Zeit in netzunabhängigen Systemen nicht erzeugt werden.Our international patent application WO98 / 40917 discloses a novel form of actuator that is suitable for active Suitable materials and is called planar bimorph. The same Patent application also discloses a method for use such actuators to trigger of mechanisms. Such systems require a high voltage to to work, and such voltages can currently occur in off-grid systems not be generated.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY THE INVENTION

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine induktive Schaltung zu schaffen, die in der Lage ist, ein Treibersignal mit niedriger Leistung und hoher Spannung zu erzeugen, das genutzt werden kann, um einen netzunabhängigen elektrischen Schaltmechanismus anzusteuern bzw. zu treiben.The object of the present invention is to provide an inductive circuit capable of generating a low-power, high-voltage drive signal that is used can be used to control or drive a network-independent electrical switching mechanism.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen Schaltmechanismus zu schaffen, der von einer induktiven Schaltung angetrieben wird, wobei der Ausgang in eine hohe Spannung umgewandelt wird.Another task of the present Invention is an electrical switching mechanism create, which is driven by an inductive circuit, wherein the output is converted into a high voltage.

Um die obenstehenden Aufgaben zu erfüllen, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Treiberanordnung für eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung geschaffen, wobei die Anordnung eine Treiberschaltung und einen aktiven Materialbieger umfasst, wobei die Schaltung einen Transformator mit einer ersten Primärspule und einer zweiten Primärspule und einer Sekundärspule umfasst, deren Aufgabe es ist, eine Ausgangstreiberschaltung als Reaktion auf eine Stromsymmetrie zwischen den jeweiligen Strömen zu erzeugen, die in der ersten und der zweiten Primärspule fließen, wobei der Transformator ferner so ausgelegt ist, dass er bei einem Stromunsymmetrieniveau sättigt, das geringer ist als ein Niveau, das einen Fehlerzustand anzeigt, so dass die Ausgangstreiberspannung von der Sekundärspule angelegt wird, um den aktiven Materialbiegen zu betätigen.To accomplish the above tasks fulfill, is according to a first aspect of the present invention, a driver arrangement for a residual current device created, the arrangement of a driver circuit and a active material bender, the circuit comprising a transformer with a first primary coil and a second primary coil and a secondary coil includes, the task of which is as an output driver circuit Response to creating a current symmetry between the respective currents which flow in the first and second primary coils, the transformer is further designed to be at a current unbalance level saturates, that is less than a level indicating an error condition, so that the output driver voltage is applied from the secondary coil to the active material bending.

In einer bevorzugten Ausführung der Treiberschaltung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren ein Spannungsgleichrichtmittel zum Gleichrichten der Ausgangstreiberspannung geschaffen. Des Weiteren umfasst die bevorzugte Ausführung vorzugsweise des Weiteren Spannungsvervielfachungsmittel zum Vervielfachen der Ausgangstreiberspannung auf einen Betriebspegel.In a preferred embodiment of the Driver circuit according to the first Aspect of the present invention further becomes a voltage rectifying means created to rectify the output driver voltage. Furthermore includes the preferred embodiment preferably further voltage multiplying means for multiplying the Output driver voltage to an operating level.

Des Weiteren ist der Sättigungspegel des Transformators vorzugsweise erheblich niedriger als das Stromunsymmetrieniveau, das einen Fehlerzustand anzeigt, und in einer bevorzugten Ausführung ist der Transformator so ausgelegt, dass er bei 50% des Stromunsymmetrieniveaus sättigt, das einen Fehlerzustand in einer elektrischen Schaltung anzeigt, mit der die Treiberschaltung der vorliegenden Erfindung verbunden ist.Furthermore, the saturation level the transformer is preferably considerably lower than the current asymmetry level, which indicates an error condition and is in a preferred embodiment the transformer is designed to operate at 50% of the current unbalance level saturates, that indicates a fault condition in an electrical circuit, to which the driver circuit of the present invention is connected is.

Vorzugsweise sind die erste Primärspule und die zweite Primärspule jeweils mit der gleichen Anzahl n1 an Windungen versehen, und die Sekundärspule ist mit n2 Windungen versehen, wobei n2 größer ist als n1 und die Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule daher eine Aufwärtstransformation der Spannung über die Sekundärspule in Bezug auf die Primärspulen bewirkt.Preferably, the first primary coil and the second primary coil are each provided with the same number n 1 of turns, and the secondary coil is provided with n 2 turns, n 2 being greater than n 1 and the coupling between the primary coil and the secondary coil therefore an upward transformation the voltage across the secondary coil with respect to the primary coils.

Die Ausgangstreiberspannung, die von der Treiberschaltung der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, ist vorzugsweise eine höhere Spannung mit niedrigerer Leistung als ansonsten vorliegen würde.The output driver voltage that generated by the driver circuit of the present invention is preferably a higher one Voltage with lower power than would otherwise be the case.

Ein Merkmal der Treiberschaltung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Eindung besteht darin, dass die Sättigung des Transformators auf einem Stromunsymmetrieniveau, das niedriger ist als der Auslösepegel, die Erzeugung eines starken Gegen-Leerlaufstroms (back-EMF) über die Sekundärspule bei jedem gesättigen Puls bewirkt. Dieses Merkmal bietet den Vorteil, dass der erzeugte Gegen-Leerlaufstrom, der eine hohe Spannung, jedoch niedrige Leistung hat, genutzt werden kann, um einen aktiven Materialbieger anzusteuern bzw. anzutreiben, der aus Piezokeramik hergestellt ist, für die normalerweise ein elektrisches Feld mit niedriger Leistung und hoher Spannung für ordnungsgemäße Funktion erforderlich ist.A feature of the driver circuit according to the first Aspect of the present invention is that saturation of the transformer at a current unbalance level that is lower is than the trigger level, generating a strong back-idle current (back-EMF) across the secondary coil at every saturated Pulse causes. This feature offers the advantage that the generated one Counter-no-load current, which is high voltage, but low power can be used to control an active material bender or to drive, which is made of piezoceramic, for which normally an electric field with low power and high voltage for proper function is required.

Zusätzlich zur Schaffung einer Treiberschaltung schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt des Weiteren einen elektrischen Schaltmechanismus, der eine Treiberanordnung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst, deren Aufgabe es ist, ein elektrisches Betätigungsmittel anzusteuern, wobei der Mechanismus ferner ein elektrisches Schaltmittel umfasst, dessen Aufgabe es ist, als Reaktion auf das elektrische Betätigungsmittel einen oder mehrere in einer elektrischen Schaltung vorgesehene elektrische Kontakte zu öffnen, wenn die Treiberschaltung einen Fehlerzustand in der elektrischen Schaltung erkennt.In addition to creating one Driver circuitry provides the present invention according to a second Aspect further an electrical switching mechanism that a Driver arrangement according to the first Aspect of the present invention, the object of which is an electrical actuator to drive, the mechanism further comprising an electrical switching means includes, the task of which is in response to the electrical actuating means one or more electrical provided in an electrical circuit Open contacts if the driver circuit has a fault condition in the electrical Circuit detects.

Gemäß dem zweiten Aspekt umfasst das elektrische Schaltmittel des elektrischen Schaltmechanismus vorzugsweise ein planares Rahmenelement, das mit einem profilierten Kanal versehen ist, ein Lastmittel, das das planare Schieberelement in dem profilierten Kanal rastet, wobei das Rastmittel auf das elektrische Betätigungsmittel reagiert, indem es das planare Schieberelement rastet oder freigibt, um den/die einen oder mehreren elektrischen Kontakte (E) zu schließen oder zu öffnen.According to the second aspect comprises the electrical switching means of the electrical switching mechanism preferably a planar frame element with a profiled Channel is provided, a load means that the planar slide element snaps in the profiled channel, the locking means on the electrical actuating means responds by snapping or releasing the planar slide element to close the one or more electrical contacts (E) or to open.

Vorzugsweise umfasst das elektrische Betätigungsmittel einen planaren aktiven Materialbieger, wie dies in unserer früheren internationalen Patentanmeldung WO98/40917 offenbart ist.Preferably, the electrical comprises actuating means a planar active material bender like this in our previous international Patent application WO98 / 40917 is disclosed.

In einer bevorzugten Ausführung ist der planare Materialbieger auf das planare Rahmenelement laminiert, um eine flache Vorrichtung herzustellen. Bei einer derartigen Konstruktion ist der aktive Materialbieger des Weiteren so ausgelegt, dass er sich, wenn er als der elektrische Betätigen wirkt, nach dem Betätigen aus der Wirkebene des Rastmittels bewegt.In a preferred embodiment the planar material bender laminated to the planar frame element, to make a flat device. With such a construction the active material bender is also designed to: if it acts as the electric actuation, after actuation the effective plane of the locking means moves.

Des Weiteren umfasst in der besonders bevorzugten Ausführung das Rastmittel eine drehbare Klinke, die so gestaltet ist, dass sie das Schieberelement rastet, wenn es von dem elektrischen Betätigen in einer ersten Position gehalten wird. Wenn der elektrische Betätiger den aktiven Materialbieger umfasst, wird die drehbare Klinke freigegeben, um sich zu drehen und Lösen des Schieberelementes zu ermöglichen, wenn sich der aktive Materialbieger nach dem Betätigen aus der Wirkebene des Rastmittels bewegt.Furthermore, the particularly includes preferred execution the locking means a rotatable pawl, which is designed so that it snaps into the slide element when it is in from the electrical actuation a first position is held. If the electrical actuator active material bender, the rotatable pawl is released, to turn and loosen to enable the slide element if the active material bender moves out of the working plane of the Locking device moves.

In der bevorzugten Ausführung des elektrischen Schaltmechanismus gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren eine Federeinrichtung vorhanden, deren Aufgabe es ist, das Schieberelement aus dem profilierten Kanal vorzuspannen, der in dem Rahmenelement vorhanden ist.Furthermore, in the preferred embodiment of the electric switching mechanism according to the second aspect of the present invention a spring device is provided, the task of which is to bias the slide element out of the profiled channel which is present in the frame element.

Ein Merkmal des elektrischen Schaltmechanismus gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine relativ starke mechanische Bewegung in Form des Freigebens des Schieberelementes durch eine relativ geringe Bewegung des elektrischen Betätigungsmittels erzeugt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass sich der Mechanismus der vorliegenden Erfindung besonders für den Einsatz mit aktiven Materialbiegern eignet, bei denen Materialien, wie beispielsweise Piezokeramik, eingesetzt werden, die starke Ansteuerfelder benötigen, um relativ geringe Bewegung zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die relativ starke Bewegung des Schieberelementes beim Freigeben genutzt werden kann, um einen weiteren Mechanismus auszulösen, so beispielsweise einen Ausschaltmechanismus.A feature of the electrical switching mechanism according to the second Aspect of the present invention is that a relative strong mechanical movement in the form of releasing the slide element due to a relatively small movement of the electrical actuating means can be generated. This has the advantage that the mechanism of the present invention especially for use with active material benders is suitable where materials such as piezoceramic are used who need strong control fields to move relatively little to create. Another advantage of the present invention is that the relatively strong movement of the slide element when releasing can be used to trigger another mechanism, so for example a switch-off mechanism.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden Ausführungen derselben im Folgenden lediglich als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:To better understand the present invention, implementations of the same are hereinafter by way of example only and with reference to the accompanying drawings described, whereby:

1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführung einer Treiberschaltung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist; 1 3 is a circuit diagram of a preferred embodiment of a driver circuit according to the first aspect of the present invention;

2 eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines Freigabemechanismus zeigt, der als der Schaltmechanismus gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann; 2 Figure 12 is an exploded perspective view of a release mechanism that can be used as the switching mechanism according to the second aspect of the present invention;

3 einen Querschnitt durch den zusammengesetzten Freigabemechanismus in 2 entlang der Linie A-A in der Richtung der Pfeile gesehen zeigt; und 3 a cross section through the composite release mechanism in 2 seen along the line AA in the direction of the arrows; and

4 ein Blockschaltbild ist, das die Wechselwirkung zwischen der Treiberschaltung und dem Schaltmechanismus der vorliegenden Erfindung darstellt. 4 Figure 3 is a block diagram illustrating the interaction between the driver circuit and the switching mechanism of the present invention.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGENDESCRIPTION THE PREFERRED VERSIONS

Wie aus der Einleitung hervorgeht, hat die vorliegende Erfindung zwei Aspekte, d.h. sie besteht aus einer Treiberschaltung und einem elektrischen Schaltmechanismus, der die Treiberschaltung zur Erzeugung der erforderlichen Treiberspannung nutzt. Eine bevorzugte Ausführung der Treiberschaltung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.As can be seen from the introduction, the present invention has two aspects, ie it consists of a driver circuit and an electrical switching mechanism that uses the driver circuit to generate the required driver voltage. A preferred embodiment of the driver circuit according to the first aspect of the present invention is described below with reference to FIG 1 described.

In 1 umfasst eine Treiberschaltung gemäß der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Eindung einen Toroidtransformator 70 mit einer ersten Primärspule 66, die einen Laststrom Il von dem spannungsführenden Kontakt einer Spannungsquelle 64, wie beispielsweise dem Netz, zu einer Last 74 leitet. Die erste Primärspule 66 besteht aus einer einzelnen Wicklung um den Toroidkern des Transformators 70 herum. Eine zweite Primärspule 72 ist des Weiteren vorhanden und besteht aus einer einzelnen Windung um den Toroidkern herum und leitet einen Strom In von der Last 74 zurück zum neutralen Kontakt der Spannungsquelle 64. Zusätzlich zu der ersten und der zweiten Primärspule ist eine Sekundärspule 68, die eine Vielzahl von Windungen um den Transformatorkern herum umfasst, des Weiteren auf dem Kern des Toroidtransformators 70 vorhanden. Eine induzierte Ausgangsspannung E über die Sekundärspule 68 wird einem Dioden-Brückengleichrichter 76 zum Gleichrichten zugeführt, wobei die gleichgerichtete Ausgangs-Treiberspannung von der Sekundärspule 68 dann zu einem Spannungsvervielfacher 61 zur Spannungsvervielfachung der Ausgangs-Treiberspannung E auf eine Betriebsspannung V geleitet wird. In der bevorzugten Ausführung ist des Weiteren ein Glättungskondensator 78 über den Ausgang des Dioden-Brückengleichrichters 76 vorhanden, um die gleichgerichtete Spannung vor der Vervielfachung in dem Spannungsvervielfacher 61 zu glätten. Der Spannungsvervielfacher 61 kann eine beliebige passende Vervielfachungseinrichtung oder ein bzw. mehrere Schaltungselemente sein, wie dies für den Fachmann auf der Hand liegt.In 1 a driver circuit according to the preferred embodiment of the present invention includes a toroidal transformer 70 with a first primary coil 66 that a load current I l from the live contact of a voltage source 64 , such as the network, to a load 74 passes. The first primary coil 66 consists of a single winding around the toroidal core of the transformer 70 around. A second primary coil 72 is also present and consists of a single turn around the toroid core and conducts a current I n from the load 74 back to the neutral contact of the voltage source 64 , In addition to the first and second primary coils, there is a secondary coil 68 that includes a plurality of turns around the transformer core, further on the core of the toroidal transformer 70 available. An induced output voltage E across the secondary coil 68 becomes a diode bridge rectifier 76 supplied for rectification, the rectified output drive voltage from the secondary coil 68 then to a voltage multiplier 61 to multiply the voltage of the output driver voltage E to an operating voltage V. In the preferred embodiment there is also a smoothing capacitor 78 via the output of the diode bridge rectifier 76 present to the rectified voltage before multiplication in the voltage multiplier 61 to smooth out. The voltage multiplier 61 can be any suitable multiplication device or one or more circuit elements, as is obvious to the person skilled in the art.

Obwohl die Ausgangs-Treiberspannung E von der Sekundärspule bei der oben beschriebenen und in 1 dargestellten bevorzugten Ausführung mit dem Dioden-Brückengleichrichter 76 gleichgerichtet wird, bevor sie in dem Vervielfacher 61 vervielfacht wird, ist dies für die Funktion der vorliegenden Erfindung nicht ausschlaggebend, und es ist natürlich auch möglich, dass die Reihenfolge des Gleichrichters 76 und des Vervielfachers 61 umgekehrt wird, so dass die Wechselspannung, die von der Sekundärspule ausgegeben wird, durch den Vervielfacher 61 vervielfacht wird, bevor sie durch den Brückengleichrichter 76 gleichgerichtet wird.Although the output drive voltage E from the secondary coil in the above described and in 1 shown preferred embodiment with the diode bridge rectifier 76 is rectified before being in the multiplier 61 is multiplied, this is not decisive for the function of the present invention, and it is of course also possible that the order of the rectifier 76 and the multiplier 61 is reversed so that the AC voltage output from the secondary coil is through the multiplier 61 is multiplied before going through the bridge rectifier 76 is rectified.

Des Weiteren können in anderen Ausführungen der vorliegenden Erfindung je nach dem Einsatzzweck, für den die Ausgangs-Treiberspannung von der Sekundärspule verwendet wird, entweder der Gleichrichter 76 (der den Glättungskondensator 78 enthält) oder der Spannungsvervielfacher 61 oder beide aus der Treiberschaltung der vorliegenden Erfindung weggelassen werden.Furthermore, in other embodiments of the present invention, depending on the application for which the output drive voltage from the secondary coil is used, either the rectifier 76 (which is the smoothing capacitor 78 contains) or the voltage multiplier 61 or both are omitted from the driver circuit of the present invention.

In der vorliegenden Erfindung arbeitet die Treiberschaltung der vorliegenden Erfindung als die Erfassungseinrichtung an einer RCD, und insbesondere das Vorhandensein des Transformators ermöglicht genaue Erfassung von Stromunsymmetrie, wie dies weiter unten ausführlicher erläutert wird. Vorzugsweise umfassen die Primärspulen 66 und 72 lediglich eine einzelne Windung, während die Sekundärspule 68 eine große Anzahl von Windungen und normalerweise mehr als 1000 Windungen hat. Stark permeable Materialien, wie beispielsweise Nickel-Eisen, werden eingesetzt, um die Gesamtinduktivität des Systems zu erhöhen.In the present invention, the driver circuit of the present invention operates as the detector on an RCD, and in particular the presence of the transformer enables accurate detection of current unbalance, as will be explained in more detail below. The primary coils preferably comprise 66 and 72 just a single turn while the secondary coil 68 a large number of turns and usually has more than 1000 turns. Highly permeable materials such as nickel iron are used to increase the overall inductance of the system.

Die Treiberschaltung der vorliegenden Erfindung, die den beschriebenen Aufbau hat, arbeitet wie folgt. Die über die Sekundärwicklung 74 des Toroidtransformators 70 erzeugte Spannung ist der Gegen-Leerlaufstrom, der jeder Änderung der Ströme entgegenwirkt, die in einer der Primärspulen fließen, und ist mit der bekannten Gleichung E = -Ldi/dt gegeben. Unter normalen Umständen, d.h. beim Nichtvorhandensein eines Fehlerzustandes, sind die entsprechenden elektrischen Ströme, die in der spannungsführenden Spule 66 (Il) und der neutralen Spule 72 (In) fließen, gleich und einander entgegengesetzt, so dass die mit den entsprechenden Strömen verbundenen Magnetfelder einander aufheben, und kein oder nur geringer Strom in der Sekundärspule 68 induziert wird.The driver circuit of the present invention, which has the structure described, operates as follows. The one about the secondary winding 74 of the toroidal transformer 70 The voltage generated is the counter-open circuit current, which counteracts any change in the currents flowing in one of the primary coils, and is given by the known equation E = -Ldi / dt. Under normal circumstances, ie in the absence of a fault condition, the corresponding electrical currents are those in the live coil 66 (I l ) and the neutral coil 72 (I n ) flow, the same and opposite to each other, so that the magnetic fields associated with the corresponding currents cancel each other, and little or no current in the secondary coil 68 is induced.

Wenn ein Teil des ankommenden Strom Il aufgrund eines Fehlerzustandes, so beispielsweise eines Kurzschlusses oder eines Menschen, der Gefahr läuft, einen Stromschlag zu erhalten, aus der Last strömt, sind die Magnetfelder, die mit den entsprechen den Strömen verbunden sind, die durch die zwei Primärspulen fließen, nicht mehr gleich und einander entgegengesetzt, wodurch eine Spannung in der Sekundärspule 68 induziert wird. Zunächst ist die induzierte Wellenform mit gleicher Frequenz und Phase wie die Speisespannung 64 sinusförmig, so dass sie dem Fehlerstrom entspricht, wenn jedoch der Fehlerstrom ansteigt, wird der Toroidtransformator gesättigt und die Ausgangsspannungs-Wellenform E über die Sekundärspule 74 wird zackig. Bei herkömmlichen elektromechanischen Relais stellt dies einen Nachteil dar, da die abgegebene Leistung abnimmt. Piezoelektrische und elektrostriktive Materialien unterscheiden sich jedoch in sofern, als sie sehr niedrige Leistung brauchen, jedoch ein starkes elektrisches Feld benötigen, um zu arbeiten. Der Spannungsausgang eines Induktors wird, wie oben erwähnt, mit der Gleichung E = -Ldi/dt berechnet, wobei E die Spannung ist, L die Induktivität des Systems ist und di/dt die Rate der Änderung des Stroms mit der Zeit ist. Die Sättigung des Magnetkerns führt zu einem sehr hohen di/dt-Verhältnis, so dass die Spannung über die Sekundärspule ansteigt. Die vorliegende Erfindung nutzt dieses Verhalten, um eine Anfangs-Hochspannung über den Toroidtransformator zu erzeugen. Vorzugsweise ist der Magnetkern des Transformators so ausgelegt, dass er an einem Punkt bei ungefähr 50% des Auslösewertes gesättigt ist, wobei der Auslösewert der Pegel der Stromunsymmetrie zwischen den zwei Primärspulen ist, der einen Fehlerzustand anzeigt.If part of the incoming current I l flows out of the load due to a fault condition, such as a short circuit or a person who is in danger of receiving an electric shock, the magnetic fields are associated with the corresponding currents through the two primary coils flow, no longer the same and opposite each other, creating a voltage in the secondary coil 68 is induced. First of all, the induced waveform is of the same frequency and phase as the supply voltage 64 sinusoidal so that it corresponds to the fault current, but when the fault current increases, the toroidal transformer is saturated and the output voltage waveform E via the secondary coil 74 gets jagged. In conventional electromechanical relays, this is a disadvantage because the power output decreases. Piezoelectric and electrostrictive materials differ, however, in that when they need very low power, they need a strong electric field to work. The voltage output of an inductor, as mentioned above, is calculated using the equation E = -Ldi / dt, where E is the voltage, L is the inductance of the system and di / dt is the rate of change in current over time. The saturation of the magnetic core leads to a very high di / dt ratio, so that the voltage across the secondary coil increases. The present invention uses this behavior to generate an initial high voltage across the toroidal transformer. Preferably, the transformer magnetic core is designed to saturate at some point at approximately 50% of the trip value, the trip value being the level of current imbalance between the two primary coils that indicates a fault condition.

In der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführung wird die induzierte Spannungswellenform über die Sekundärspule vorzugsweise in einer Brücken-Diodenschaltung 76 gleichgerichtet und mit einem Glättungskondensator 78 geglättet. Das so gleichgerichtete und geglättete Signal wird dann einer Spannungsvervielfacherschaltung 61 zum Vervielfachen um einen geeigneten Faktor, wie beispielsweise das Zwei- oder Dreifache, auf einen Betriebspegel V zugeführt. Das Ausgangssignal V kann dann genutzt werden, um einen elektrischen Schaltmechanismus anzusteuern, wie dies weiter unten beschrieben wird.In the in 1 shown preferred embodiment, the induced voltage waveform via the secondary coil is preferably in a bridge diode circuit 76 rectified and with a smoothing capacitor 78 smoothed. The signal rectified and smoothed in this way then becomes a voltage multiplier circuit 61 for multiplication by an appropriate factor, such as two or three times, to an operating level V. The output signal V can then be used to control an electrical switching mechanism, as described below.

In einer alternativen Ausführung der Treiberschaltung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind des Weiteren ein Schwingkreis und ein entsprechender Steuerchip vorhanden, die so eingerichtet sind, dass sie das Schalten des Stroms über die Sekundärspule steuern. Ein derartiger Betrieb gleicht dem einer Schaltstromversorgung, bei der das plötzliche Abschalten des Stroms in einem Induktor genutzt wird, um einen Hochspannungsimpuls zu erzeugen, wobei die zeitliche Steuerung der Unterbrechung durch die Spannung über einen Bezugswiderstand bestimmt wird. Wenn ein derartiges Umschalten sehr schnell unter Verwendung des Schwingkreises ausgeführt wird, können hohe Spannungen erzeugt werden. Indem die Frequenz und der Tastgrad (duty cycle) des Oszillators gesteuert werden, können die erforderlichen Betriebsspannungen von dem Toroidtransformator bezogen werden. Um eine geeignete Spannung zu erreichen, ist es auch notwendig, den Ausgang des Toroids zu gleichzurichten und auch den Ausgang des Treiber-Choppers gleichzurichten. Dies wird in beiden Fällen unter Verwendung eines Dioden-Brückengleichrichters getan.In an alternative embodiment of the Driver circuit according to the first Aspects of the present invention are also a resonant circuit and a corresponding control chip, which are set up so that they control the switching of the current through the secondary coil. Such operation is similar to that of a switching power supply, where the sudden Shutting off the current in an inductor is used to generate a high voltage pulse generate, timing the interrupt by the tension over a reference resistance is determined. If such switching is carried out very quickly using the resonant circuit, can high voltages are generated. By the frequency and the duty cycle (duty cycle) of the oscillator can be controlled, the required operating voltages can be obtained from the toroidal transformer. To a suitable voltage to achieve, it is also necessary to rectify the exit of the toroid and also to rectify the output of the driver chopper. This will in both cases using a diode bridge rectifier done.

Um eine Treiberschaltung für eine RCD zu schaffen, schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt des Weiteren einen elektrischen Schaltmechanismus, bei dem die Treiberschaltung verwendet wird, um einen Fehlerzustand anzuzeigen und das Schalten auszulösen, und ein bevorzugter elektrischer Schaltmechanismus gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschreiben.In order to provide a driver circuit for an RCD, the present invention further provides, in a second aspect, an electrical switching mechanism in which the driver circuit is used to indicate a fault condition and trigger the switching, and a preferred electrical switching mechanism in accordance with the second aspect of the invention is described below with reference to 2 and 3 describe.

Der elektrische Schaltmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführung, der in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, besteht aus einer Anzahl von Schichten aus Blechmaterial. Die relative Dicke der verschiedenen Schichten wird unter Berücksichtigung der verschiedenen, von den Schichten zu erfüllenden Funktionen gewählt, und dies gilt auch für die eingesetzten Materialien. Um die Handhabung bei dieser speziellen Konstruktion zu erleichtern, handelt es sich bei dem Material um Metallstreifen, bei denen die Dicke leicht mit dem Herstellungsverfahren auf akzeptable Grenzwerte gesteuert wird. Dicken von 0,15 mm bis 0,2 mm haben sich als geeignet erwiesen, jedoch können andere Dicken und andere Materialien für bestimmte der Schichten verwendet werden. Die Schichten müssen nicht unbedingt aus Metall bestehen oder leitend sein, und in einigen Fällen kann es sehr wohl ein Vorteil sein, wenn die Schichten isolierend oder selbstschmierend sind, indem sie aus einem geeigneten Kunststoffmaterial hergestellt werden.The electrical switching mechanism according to the present embodiment, which is shown in the accompanying drawings, consists of a number of layers of sheet metal material. The relative thickness of the different layers is chosen taking into account the different functions to be performed by the layers, and this also applies to the materials used. To facilitate handling with this particular construction, the material is metal strips, in which the thickness is easily controlled to acceptable limits using the manufacturing process. Thicknesses from 0.15 mm to 0.2 mm have been found to be suitable, however other thicknesses and other materials can be used for certain of the layers. The layers do not necessarily have to be metal or conductive, and in some cases it can be an advantage if the layers are insulating or self-lubricating by being made from a suitable plastic material.

Der Schaltmechanismus gemäß der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat 10, an dem ein Stapel anderer Schichten angebracht ist, wobei der Stapel ein planares Rahmenelement 12, ein planares Abstandshalterelement 14 und eine planare Bimorph-Schicht 16 in dieser Reihenfolge von dem Substrat 10 ausgehend umfasst. Ein planares Schieberelement 18 ist des Weiteren vorhanden und gleitet in einem profilierten Kanal 30, der in dem Rahmen 12 ausgebildet ist, und der Schieber ist mit einer Verlängerung 32 versehen, die sich über das offene Ende des profilierten Kanals 30 in dem Rahmen 12 hinaus erstreckt.The switching mechanism according to the preferred embodiment of the present invention comprises a substrate 10 , on which a stack of other layers is attached, the stack being a planar frame element 12 , a planar spacer element 14 and a planar bimorph layer 16 in that order from the substrate 10 starting out includes. A planar slide element 18 is also available and slides in a profiled channel 30 that in the frame 12 is formed, and the slide is with an extension 32 provided that extend over the open end of the profiled channel 30 in the frame 12 extends beyond.

Der Schieber 18 ist mit einem Schlitz 34 versehen, der in der Verlängerung 32 vorhanden ist, wobei der Schlitz so eingerichtet ist, dass er eine Feder 36 aufnimmt, und sich ein Ende der Feder an einer Federaufnahme 37 befindet, die mit dem Schlitz vorhanden ist, und das andere Ende der Feder 36 mit einer Federaufnahme 38 in Eingriff ist, die an einer der anderen Schichten vorhanden ist, in diesem Fall der Abstandshalterschicht 14. Das Schieberelement kann mittels einer drehbaren Klinke 40 gegen die Wirkung der Feder 36 gerastet bzw. arretiert werden. Die Klinke 40 ist mittels eines Lagers 41 drehbar angebracht, das in der bevorzugten Ausführung an dem Abstandshalter 14 vorhanden ist, jedoch auch an dem Substrat 10 vorhanden sein kann. Der Abstandshalter ist des Weiteren mit einer Öffnung 42 versehen, durch die sich die zu betätigende bewegliche Spitze 44 des Piezo-Bimorph erstreckt, um die Drehung der Klinke 40 zu steuern, und damit den Schieber 18 freizugeben oder zu arretieren.The slider 18 is with a slit 34 provided that in the extension 32 is present, the slot being arranged to be a spring 36 picks up, and one end of the spring on a spring holder 37 located, which is present with the slot, and the other end of the spring 36 with a spring mount 38 that is present on one of the other layers, in this case the spacer layer 14 , The slide element can be rotated by means of a pawl 40 against the action of the spring 36 be locked or locked. The handle 40 is by means of a bearing 41 rotatably attached, in the preferred embodiment on the spacer 14 is present, but also on the substrate 10 can be present. The spacer is also with an opening 42 provided, through which the movable tip to be operated 44 of the piezo bimorph extends to the rotation of the pawl 40 to control, and thus the slider 18 to release or lock.

Bevor die Funktion des oben beschriebenen Mechanismus beschrieben wird, muss klar sein, dass der profilierte Kanal 30 in dem Rahmen 12 speziell geformt ist, so dass der Schieber 18, obwohl er unter der Wirkung der Feder 36 hauptsächlich linear in der Richtung des Pfeils X bewegt werden kann, auch in der Lage ist, geringfügige Quer- oder Drehbewegung auszuführen. Des Weiteren wird der profilierte Kanal in der Nähe des offenen Endes 64 des Kanals schmaler, um den Hub des Schiebers zu beschränken, der mit Vorsprüngen 46 versehen ist, die breiter sind als das schmale offene Ende des Kanals 64. Weiterhin weist die Klinke 40 einen halbkreisförmigen Abschnitt 48 auf, der so eingerichtet ist, dass er in einem entsprechenden Abschnitt 50 des Profilkanals aufgenommen wird, so dass Winkelbewegung in der Richtung des Pfeils A (in der Zeichnung im Uhrzeigersinn dargestellt) innerhalb des Profilkanals möglich ist. Die Klinke ist des Weiteren mit einer geformten Aussparung 52 versehen, die so eingerichtet ist, dass sie einen entsprechend geformten Vorsprung 54 an dem Ende des Schiebers 18 aufnimmt, das von der Feder entfernt ist. Die Form und die Größe des Vorsprungs 54 und der Aussparung 52, die aufeinander treffen, sind sorgfältig so ausgeführt, dass eine vor gegebene Stoßkraft erzeugt wird, und der Schieber ist des Weiteren mit einer zusätzlichen gewinkelten Rastfläche 56 versehen, die so eingerichtet ist, dass sie gleitend mit einer entsprechenden gewinkelten Rastfläche 58 in Eingriff kommt, die an dem Rahmen 12 vorhanden ist. Die Winkel der entsprechenden Rastflächen 56 und 58 sind so, dass die von der Feder 36 auf den Schieber 18 ausgeübte Kraft, wenn der Schieber 18 arretiert ist, bewirkt, dass die Rastfläche 56 an die Rastfläche 58 drückt, wobei die durch die Rastfläche 58 erzeugte Gegenwirkungskraft eine Drehbewegung verursacht, die auf den Schieber 18 in der Richtung von Pfeil B auszuüben ist, die in der Zeichnung entgegen den Uhrzeigersinn dargestellt ist.Before the function of the mechanism described above is described, it must be clear that the profiled channel 30 in the frame 12 is specially shaped so that the slider 18 , although under the action of the spring 36 can be moved mainly linearly in the direction of the arrow X, is also able to perform slight transverse or rotational movement. Furthermore, the profiled channel is near the open end 64 of the channel narrower to limit the stroke of the spool, that with protrusions 46 which are wider than the narrow open end of the channel 64 , Furthermore, the jack has 40 a semicircular section 48 on that is set up to be in a corresponding section 50 of the profile channel is included, so that angular movement in the direction of arrow A (shown clockwise in the drawing) is possible within the profile channel. The jack is also with a shaped recess 52 provided, which is set up so that it has a correspondingly shaped projection 54 at the end of the slider 18 that is removed from the spring. The shape and size of the tab 54 and the recess 52 , which meet each other, are carefully designed so that a given impact force is generated, and the slide is also with an additional angled locking surface 56 provided, which is set up so that it slides with a corresponding angled locking surface 58 engages that on the frame 12 is available. The angles of the corresponding rest areas 56 and 58 are so that the spring 36 on the slider 18 exerted force when the slider 18 is locked, causes the locking surface 56 to the rest area 58 presses, which through the locking surface 58 generated counteracting force causes a rotational movement on the slide 18 in the direction of arrow B, which is shown in the drawing counterclockwise.

3 zeigt einen Querschnitt durch die verschiedenen Schichten, wenn sie zusammengesetzt sind. In 3 ist zu sehen, dass der Piezo-Bimorph 16 mit einem Zapfenelement 44 versehen ist, das sich durch Öffnung 42 hindurch erstreckt, die in dem Abstandshalter vorhanden ist, um mit der Klinke 40 in Eingriff zu kommen. Normalerweise entspricht das Zapfenelement 44 der Tiefe des Abstandshalters und des Schiebers 18 und diese beträgt normalerweise 0,35 mm. Das Zapfenelement 44 ist an dem Betätigungsende des Piezo-Bimorph 16 so vorhanden, dass, wenn der Piezo-Bimorph 16 betätigt wird, das Zapfenelement 44 aus der Drehebene der Klinke 40 in der Richtung des Pfeils C so weit herausbewegt wird, dass sich die Klinke 40 in der Richtung des Pfeils A frei drehen kann. In 3 ist die Klinke 40 an einem Lager 41 (nicht dargestellt) angebracht dargestellt, das an dem Abstandshalter 14 vorhanden ist, obwohl es jedoch auch möglich ist, das Lager 41 an dem Substrat 10 vorzusehen. 3 shows a cross section through the different layers when they are assembled. In 3 can be seen that the piezo bimorph 16 with a pin element 44 is provided by opening 42 extends through, which is present in the spacer to with the pawl 40 to come into engagement. Usually the peg element corresponds 44 the depth of the spacer and the slider 18 and this is usually 0.35 mm. The pin element 44 is at the actuation end of the piezo bimorph 16 so present that when the piezo bimorph 16 is actuated, the pin element 44 from the rotary plane of the jack 40 in the direction of arrow C so far that the pawl 40 can rotate freely in the direction of arrow A. In 3 is the jack 40 at a warehouse 41 (not shown) attached attached to the spacer 14 is present, although it is also possible, the camp 41 on the substrate 10 provided.

Um zur Funktion des Mechanismus zu kommen, wird davon ausgegangen, dass die verschiedenen Schichten sämtlich zusammengesetzt und übereinander gestapelt sind, wie dies in 3 dargestellt ist, wobei sich der Schieber in dem Kanal 30 so in Stellung befindet, dass die Rastfläche 56 mit der Rastfläche 58 an dem Rahmen 12 in Eingriff ist und so die Feder 36 zwischen den Federaufnahmen 37 und 38 zusammengedrückt wird. Die Flächen 56 und 58 sind so angewinkelt, dass die Federkraft, wie mit Pfeil B angedeutet, in eine Drehkraft umgewandelt wird. Diese Drehung wird dadurch eingeschränkt, dass der Vorsprung 54 an dem Schieber 18 durch die Aussparung 52 in der Klinke 40 gehalten wird. Bewegung der Klinke 40 in der Richtung des Pfeils A wird durch das Zapfenelement 44 eingeschränkt, das an dem beweglichen Ende des Piezo-Bimorphs 16 vorhanden ist.To get the mechanism to work, it is assumed that the different layers are all assembled and stacked on top of one another, as shown in 3 is shown, with the slide in the channel 30 is in position so that the locking surface 56 with the rest area 58 on the frame 12 is engaged and so is the spring 36 between the spring mounts 37 and 38 is squeezed. The areas 56 and 58 are angled so that the spring force, as indicated by arrow B, is converted into a torque. This rotation is restricted by the fact that the projection 54 on the slider 18 through the recess 52 in the jack 40 is held. Pawl movement 40 in the direction of arrow A is through the pin member 44 restricted, that at the movable end of the piezo bimorph 16 is available.

Wenn der Mechanismus betätigt werden soll, wird ein elektrisches Signal an den Piezo-Bimorph 16 angelegt, das bewirkt, dass sich der Bimorph so biegt, dass der Zapfen 44 nach oben, aus der Ebene des Papiers in 2 und in der Richtung des Pfeils C in 3 und aus dem Eingriff mit der Klinke 40 gezogen wird. Die Form der Flächen des Vorsprungs 54 und der Aussparung 52, die aufeinander treffen, in Kombination mit der Form der Flächen 56 und 58, die aufeinander treffen, hat unter der Wirkung der durch die Feder 36 ausgeübten Kraft zur Folge, dass der Schieber 18 beginnt, in der Richtung des Pfeils B geschwenkt zu werden, wodurch wiederum die Klinke 40 gezwungen wird, sich in der Richtung des Pfeils A zu drehen, bis die Klinke 40 den Vorsprung 54 freigibt, wodurch ungehinderte Bewegung des Schiebers 18 zunächst in Richtung eines Bogens in der Richtung des Pfeils B und anschließend in der Richtung des Pfeils X ermöglicht wird, so dass die Verlängerung 32 des Schiebers 18 genutzt werden kann, um einen weiteren Mechanismus oder eine weitere Vorrichtung, so beispielsweise einen Ausschaltmechanismus, zu aktivieren.When the mechanism is to be actuated, an electrical signal is sent to the piezo bimorph 16 which causes the bimorph to bend so that the pin 44 upwards, from the plane of the paper in 2 and in the direction of arrow C in 3 and out of engagement with the jack 40 ge is pulled. The shape of the surfaces of the protrusion 54 and the recess 52 that meet, in combination with the shape of the surfaces 56 and 58 that meet, under the action of the spring 36 exerted force that the slide 18 begins to be pivoted in the direction of arrow B, which in turn causes the latch 40 is forced to turn in the direction of arrow A until the pawl 40 the lead 54 releases, allowing unimpeded movement of the slide 18 first in the direction of an arc in the direction of arrow B and then in the direction of arrow X, so that the extension 32 the slide 18 can be used to activate a further mechanism or a further device, for example a switch-off mechanism.

Um den Mechanismus zurückzusetzen und wieder zu verriegeln, wird davon ausgegangen, dass kein elektrisches Signal an den Bimorph 16 angelegt ist, so dass sich der Zapfen 44 in seiner untersten Position befindet. Indem der Schieber 18 gegen die Feder 36 in der Richtung entgegengesetzt zu der Richtung X bewegt wird, wird die Feder 36 zusammengedrückt, und der Schieber wird an dem Rastvorsprung 58 vorbei bewegt, so dass der Vorsprung 54 an dem Ende des Schiebers in der Aussparung 52 in der Klinke aufgenommen werden kann. Die Klinke wird durch eine geringfügige Federkraft in eine Richtung entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils A elastisch gespannt, so dass der Vorsprung 54 von der Aussparung ergriffen werden kann und der Zapfen 44 diese Position halten kann.To reset and lock the mechanism, it is assumed that there is no electrical signal to the bimorph 16 is created so that the peg 44 is in its lowest position. By the slider 18 against the feather 36 is moved in the direction opposite to the X direction, the spring 36 compressed, and the slider is on the locking projection 58 moved over so the lead 54 at the end of the slider in the recess 52 can be accommodated in the jack. The pawl is elastically tensioned by a slight spring force in a direction opposite to the direction of arrow A, so that the projection 54 can be gripped by the recess and the pin 44 can hold this position.

Aus der obenstehenden Beschreibung wird ersichtlich, dass die durch die Rastflächen 56 und 58 aufgrund des Zusammendrückens der Feder 36 erzeugte Gegenwirkungskraft, die Stoßkraft von Vorsprung 53 und Aussparung 52 sowie die Rückstell-Federkraft der Klinke 40 sorgfältig ins Gleichgewicht gebracht werden müssen, um ordnungsgemäße Funktion zu erreichen. Das heißt, dass, obwohl für den über Fachkenntnisse verfügenden Leser auf der Hand liegt, dass ein breites Spektrum an Schwankungen toleriert werden kann, klar ist, dass die Summe der Rückstell-Federkraft, durch die die Klin ke 40 in die Arretier- bzw. Rastposition zurückgestellt wird, und der Stoßkraft, die durch die gewinkelten Flächen der Aussparung 52 und des Vorsprungs 54 erzeugt wird, geringer sein muss als die Gegenwirkungskraft, die durch die gewinkelten Rastflächen 56 und 58 unter dem Druck der Feder 36 erzeugt wird, damit der Schieber 18 freigegeben wird, wenn das Piezo-Bimorphelement 16 betätigt wird. Wenn dieser Zustand nicht eingehalten wird, überwindet die Gegenwirkungskraft der Rastflächen 56 und 58 die Stoßkraft des Aussparungsvorsprungs und die auf die Klinke wirkende Rückstellkraft nicht, so dass der Schieber nicht freigegeben wird.From the above description it can be seen that the by the locking surfaces 56 and 58 due to the compression of the spring 36 generated counterforce, the impact force of projection 53 and recess 52 as well as the return spring force of the pawl 40 must be carefully balanced in order to function properly. This means that although it is obvious to the expert reader that a wide range of fluctuations can be tolerated, it is clear that the sum of the return spring force by which the clinch 40 is returned to the locking or locking position, and the impact force caused by the angled surfaces of the recess 52 and the lead 54 generated must be less than the counteracting force caused by the angled locking surfaces 56 and 58 under the pressure of the spring 36 is generated so the slider 18 is released when the piezo bimorph element 16 is operated. If this condition is not maintained, the counteracting force of the locking surfaces is overcome 56 and 58 the impact force of the recess projection and the restoring force acting on the latch, so that the slide is not released.

Aufgrund der geringen Eingriffstiefe und Lösekraft ist es möglich, die große Bewegung des planaren Bimorphs zu nutzen, um ein System zu schaffen, das mit niedriger Leistung arbeitet.Because of the small depth of engagement and loosening power Is it possible, the size Use movement of the planar bimorph to create a system that works at low power.

Es liegt auf der Hand, dass die oben beschriebene Konstruktion in beliebigen Abmessungen hergestellt werden kann. Sie eignet sich aufgrund der Schichteigenschaften der Struktur sehr gut für die Mikrobearbeitung. Des Weiteren können, obwohl der elektrische Betätiger der vorliegenden Erfindung als ein Piezo-Bimorph beschrieben worden ist, andere elektrische Betätiger eingesetzt werden, und zwar elektrische Relais, Anker oder Drehspulmagneten. Insbesondere eignet sich jedoch die Treiberschaltung zum Betätigen des Piezo-Bimorphs, da sie in der Lage ist, die Felder mit hoher Spannung zu erzeugen, die erforderlich sind, um einen Bieger aus aktivem Material, wie beispielsweise den Piezo-Bimorph, zu betätigen.It is obvious that the above described construction manufactured in any dimensions can be. It is suitable due to the layer properties of the Structure very good for micromachining. Furthermore, although the electrical actuator of the present invention has been described as a piezo bimorph is, other electrical actuators are used, namely electrical relays, armatures or moving coil magnets. In particular however, the driver circuit is suitable for actuating the piezo bimorph, since it is able to generate the fields with high voltage which are required to make a bender from active material, such as for example, to actuate the piezo bimorph.

4 zeigt ein Blockschaltbild, das veranschaulicht, wie die Treiberschaltung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und der elektrische Schaltmechanismus gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt werden. Das heißt, in 4 ist zu sehen, dass ein Paar Kontaktschalter 63 in der spannungsführenden Schaltung zwischen dem Toroidtransformator 70 und der Last 74 vorhanden sind, die so eingerichtet sind, dass sie die spannungsführende Schaltung unterbrechen und so verhindern, dass Strom durch die Spulen des Toroidtransformators 70 fließt. Die Kontakte 63 sind mechanisch mit dem elektrischen Schaltmechanismus der vorliegenden Erfindung verbunden, der in dem Schema mit 62 gekennzeichnet ist. Das heißt, die Kontakte sind vorzugsweise mechanisch mit der Verlängerung 32 des Schiebers 18 des elektrischen Schaltmechanismus verbunden und so eingerichtet, dass die elektrischen Kontakte 63 geöffnet werden, wenn der Schieber 18 aus seiner arretierten Position in dem profilierten Kanal 30 freigegeben wird, so dass die Verlängerung 32 um ein erhebliches Maß über das Ende des Kanals hinaus vorsteht. Die Kontakte 63 können direkt an der Verlängerung 32 des Schiebers 18 angebracht sein, oder eine mechanische Verbindung bzw. ein weiterer Mechanismus kann zwischen dem Schieber 18 und den elektrischen Kontakten 63 vorhanden sein. 4 FIG. 12 is a block diagram illustrating how the driver circuit according to the first aspect of the present invention and the electrical switching mechanism according to the second aspect of the present invention are assembled. That is, in 4 can be seen that a pair of contact switches 63 in the live circuit between the toroidal transformer 70 and the burden 74 are present, which are set up so that they interrupt the live circuit and thus prevent current through the coils of the toroidal transformer 70 flows. The contacts 63 are mechanically connected to the electrical switching mechanism of the present invention shown in the diagram 62 is marked. That is, the contacts are preferably mechanical with the extension 32 the slide 18 of the electrical switching mechanism connected and set up so that the electrical contacts 63 be opened when the slider 18 from its locked position in the profiled channel 30 is released, so the extension 32 protrudes a significant amount beyond the end of the channel. The contacts 63 can go directly to the extension 32 the slide 18 be attached, or a mechanical connection or another mechanism between the slide 18 and the electrical contacts 63 to be available.

In Funktion arbeitet, wenn davon ausgegangen wird, dass die elektrischen Kontakte 63 geschlossen sind und Strom durch die Last 74 fließt, der Toroidtransformator 70 so, dass er jegliche Stromunsymmetrien zwischen den Strömen Il und In erfasst, die in der stromführenden bzw. neutralen Leitung fließen und zwar über die Ausgabe der Ausgangs-Treiberspannung E, die die Rück-Leerlaufspannung über die Sekundärspule ist. Die Ausgangsspannung E wird dann, wenn erforderlich, gleichgerichtet und dem Spannungsvervielfacher 61 zur Vervielfachung bis auf die Betriebsspannung V zugeführt, wobei die Betriebsspannung V gegebenenfalls über den Piezo-Bimorph des Biegegliedes 16 angelegt wird, um den Piezo-Bimorph 16 zu betätigen und aus der Wirkebene der Klinke 40 herauszubiegen, um so den Schieber 18 aus dem profilierten Kanal 30 freizugeben und die Kontakte 63 zu öffnen.It works when it is assumed that the electrical contacts 63 are closed and current through the load 74 flows, the toroidal transformer 70 so that it detects any current asymmetries between the currents I l and I n that flow in the current-carrying or neutral line, specifically via the output of the output driver voltage E, which is the open circuit voltage across the secondary coil. The output voltage E is then rectified, if necessary, and the voltage multiplier 61 supplied for multiplication up to the operating voltage V, the operating voltage V possibly via the piezo-bimorph of the bending member 16 is applied to the piezo bimorph 16 to operate and from the we k level of the jack 40 to bend out so the slider 18 from the profiled channel 30 release and the contacts 63 to open.

Diese Anordnung bildet dann eine besonders wirkungsvolle netzunabhängige Niedrigleistungsvorrichtung.This arrangement then forms one particularly effective off-grid low power device.

Claims (15)

Treiberanordnung für eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: eine Treiberschaltung und einen aktiven Materialbiegen (16), wobei die Schaltung einen Transformator (70) mit einer ersten Primärspule (66) und einer zweiten Primärspule (72) und einer Sekundärspule (68) umfasst, deren Aufgabe es ist, eine Ausgangstreiberspannung als Reaktion auf eine Stromunsymmetrie zwischen den jeweiligen Strömen erzeugt, die in der ersten und der zweiten Primärspule fließen, wobei der Transformator ferner so ausgelegt ist, dass er bei einem Stromunsymmetrieniveau sättigt, das geringer ist als ein Niveau, das einen Fehlerzustand anzeigt, so dass die Ausgangstreiberspannung von der Sekundärspule angelegt wird, um den aktiven Materialbiegen zu betätigen.A driver arrangement for a residual current device, the arrangement comprising: a driver circuit and an active material bending ( 16 ), the circuit being a transformer ( 70 ) with a first primary coil ( 66 ) and a second primary coil ( 72 ) and a secondary coil ( 68 ), the task of which is to generate an output driver voltage in response to a current unbalance between the respective currents flowing in the first and second primary coils, the transformer further being designed to saturate at a current unbalance level that is less than a level indicating an error condition so that the output driver voltage is applied by the secondary coil to actuate the active material bending. Treiberanordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend Spannungsgleichrichtmittel zum Gleichrichten der Ausgangstreiberspannung.The driver assembly of claim 1, further comprising Voltage rectifying means for rectifying the output driver voltage. Treiberanordnung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend Spannungsvervielfachungsmittel zum Vervielfachen der Ausgangstreiberspannung auf einen Betriebspegel.A driver arrangement according to claim 1 or 2, further comprising Voltage multiplying means for multiplying the output driver voltage to an operating level. Treiberanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der genannte Transformator so ausgelegt ist, dass er bei 50% des Stromunsymmetrieniveaus sättigt, das einen Fehlerzustand anzeigt.Driver arrangement according to one of the preceding claims, wherein the transformer mentioned is designed so that it at 50% of the Current asymmetry levels saturated, that indicates an error condition. Treiberanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die genannte erste Primärspule und die genannte zweite Primärspule jeweils n1 Umdrehungen haben und die genannte zweite Spule n2 Umdrehungen hat, wobei n2 > n1 ist.Driver arrangement according to one of the preceding claims, wherein said first primary coil and said second primary coil each have n 1 revolutions and said second coil has n 2 revolutions, wherein n 2 > n 1 . Elektrischer Schaltmechanismus, umfassend eine Treiberanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, deren Aufgabe es ist, ein elektrisches Betätigungsmittel anzusteuern, wobei der Mechanismus ferner ein elektrisches Schaltmittel umfasst, dessen Aufgabe es ist, als Reaktion auf das genannte elektrische Betätigungsmittel einen oder mehrere, in einer elektrischen Schaltung vorgesehene elektrische Kontakte zu öffnen, wenn die Treiberschaltung einen Fehlerzustand in der elektrischen Schaltung erkennt.An electrical switching mechanism comprising a driver assembly according to one of the preceding claims, the task of which is to control an electrical actuating means, the mechanism further comprising an electrical switching means, the The task is in response to said electrical actuation means one or more, provided in an electrical circuit to open electrical contacts if the driver circuit has a fault condition in the electrical Circuit detects. Elektrischer Schaltmechanismus nach Anspruch 6, wobei das elektrische Schaltmittel Folgendes umfasst: ein planares Rahmenelement, das einen profilierten Kanal aufweist ein planares Schieberelement, das in dem profilierten Kanal aufgenommen wird wobei das Rastmittel auf das elektrische Betätigungsmittel reagiert, indem es das planare Schieberelement rastet oder freigibt, um den/die einen oder mehreren elektrischen Kontakt (e) zu schließen oder zu öffnen.The electrical switching mechanism according to claim 6, wherein the electrical switching means comprises: a planar frame element, which has a profiled channel, a planar slide element, which is received in the profiled channel, the locking means on the electrical actuator responds by latching or releasing the planar slide element, to close the one or more electrical contact (s) or to open. Mechanismus nach Anspruch 6 oder 7, wobei der elektrische Betätiger einen planaren aktiven Materialbieger umfasst.The mechanism of claim 6 or 7, wherein the electrical actuator comprises a planar active material bender. Mechanismus nach Anspruch 8, wobei der planare aktive Materialbieger auf das genannte planare Rahmenelement laminiert ist.The mechanism of claim 8, wherein the planar active Material bender laminated to the above-mentioned planar frame element is. Mechanismus nach Anspruch 9, wobei der aktive Materialbieger ferner so ausgelegt ist, dass er sich nach dem Betätigen aus der Wirkebene des Rastmittels bewegt.The mechanism of claim 9, wherein the active material bender is also designed so that it turns off after actuation the effective plane of the locking means moves. Mechanismus nach Anspruch 8, 9 oder 10, ferner umfassend ein planares Abstandshalterelement, das zwischen dem genannten planaren aktiven Materialbieger und dem genannten planaren Rahmenelement laminiert ist.The mechanism of claim 8, 9 or 10, further comprising a planar spacer element between the said planar active material bender and the aforementioned planar frame element is laminated. Mechanismus nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem das genannte Rastmittel eine drehbare Klinke umfasst, die so gestaltet ist, dass sie das planare Schieberelement rastet, wenn es von dem elektrischen Betätiger in einer ersten Position gehalten wird.A mechanism according to any one of claims 7 to 11, wherein said Latching means comprises a rotatable pawl, which is designed so that it snaps the planar slide element when it is off the electrical actuator is held in a first position. Mechanismus nach Anspruch 12, bei dem die genannte drehbare Klinke ferner mit einer geformten Aussparung versehen ist, die so gestaltet ist, dass sie einen entsprechend geformten Vorsprung aufnimmt, der auf dem planaren Schieberelement vorgesehen ist, wobei die genannte drehbare Klinke in einem gerasteten Modus nicht von dem genannten elektrischen Betätiger in Drehung versetzt werden kann, so dass der genannte geformte Vorsprung in der genannten geformten Aussparung gehalten wird, um das genannte Schieberelement zu rasten, und der elektrische Betätiger sich in einer freigegebenen Betriebsart bewegt, so dass die genannte drehbare Klinke rotieren und so den genannten geformten Vorsprung aus der genannten geformten Aussparung befreien kann, um das genannte Schieberelement freizugeben.The mechanism of claim 12, wherein said rotatable pawl is also provided with a shaped recess, which is designed to have a correspondingly shaped projection receives, which is provided on the planar slide element, wherein said rotatable pawl in a locked mode not from the named electrical actuator can be rotated so that said shaped projection is held in said shaped recess to said To slide element, and the electrical actuator itself moved in a released mode, so that said rotatable pawl rotate and so the so-called shaped projection can free from said shaped recess to said Release slide element. Mechanismus nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem der genannte profilierte Kanal mit einer ersten winkligen Rastfläche und das planare Schieberelement mit einer zweiten gewinkelten Rastfläche versehen sind, wobei die Anordnung derart ist, dass die genannte zweite gewinkelte Rastfläche in einem gleitenden Eingriff mit der genannten. gewinkelten Rastfläche gehalten wird, wenn das genannte Schieberelement gerastet wird.A mechanism according to any one of claims 7 to 13, wherein said profiled channel is provided with a first angled detent surface and the planar slider member is provided with a second angled detent surface, the arrangement being such that said second angled detent surface is in an egg Nem sliding engagement with the above. angled locking surface is held when said slide element is locked. Mechanismus nach einem der Ansprüche 7 bis 14, ferner umfassend eine Feder, deren Aufgabe es ist, das genannte Schieberelement aus dem genannten profilierten Kanal vorzuspannen.The mechanism of any one of claims 7 to 14, further comprising a spring, the task of which is said slide element to bias the profiled channel.
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