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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ganz allgemein Stromunterbrecher, und insbesondere
einen Leistungstransformator mit einem kleinen Formfaktor.
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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Lichtbogendetektion
wird häufig
dazu durchgeführt,
um Gebäudeverkabelung
und Konsumgeräteverkabelung
zu schützen,
z.B. Verlängerungskabel,
Geräteanschlusskabel
und Geräteeinrichtungen. Im
Allgemeinen ist es erwünscht,
bei Erfassung eines Lichtbogens den Stromkreis zu öffnen, in
dem der Lichtbogen erfasst wird. Lichtbogendetektion ist zwar erwünscht, jedoch
sind einige bekannte Wohnungsstromunterbrecher groß und kostspielig,
was deren Einsatz häufig
ausschließt.
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Beispielsweise
weisen einige bekannte Wohnungsstromunterbrecher, die integrierte
Lichtbogendetektionseinheiten enthalten, gewöhnlich eine gelegentlich in
der Fachwelt als eine "Pigtail" bezeichnete eigene
Spannungsquelle auf, um die Lichtbogendetektionselektronik mit Strom
zu versorgen, und eine eigene Überstromauslöseeinheit
auf. Solche Stromversorgungen und Auslöseeinheiten sind möglicherweise
sehr groß.
Um die Stromversorgungs- und Auslöseeinheit in dem Stromunterbrechergehäuse unterzubringen,
muss das Stromunterbrechergehäuse
gewöhnlich
größer bemessen
werden, beispielsweise von einem 0,5-Zoll Formfaktorgehäuse zu einem
1,0-Zoll Formfaktorgehäuse.
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Bei
zumindest einigen Anwendungen für
den Wohnbereich lassen die Abmessungen des Unterbrechergehäuses den
Einsatz derartiger Unterbrecher aufgrund der räumlichen Beschränkungen manchmal
nicht zu. Darüber
hinaus ziehen vergrößerte Gehäuseabmessungen
eine Steigerung der Kosten des Unterbrechers nach sich.
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Es
besteht Bedarf für
eine Stromversorgungs- und Auslöseeinheit
für den
Einsatz in den Wohnungsstromunterbrechern, die die erforderlichen Funktionen
ausführen
und dennoch verhältnismäßig geringe
Abmessungen aufweisen. Es wäre
ebenfalls erwünscht,
derartige Stromversorgungs- und Auslöseeinheit in einer Gestalt
herzustellen, die sich einfach und mit geringen Kosten herstellen
lässt.
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Die
US 5 206 616 offenbart eine
Schaltereinrichtung für
die Unterbrechung eines Fehlerstroms. Ein in einem Gehäuse angeordneter
Magnetaktivator ist elektrisch mit einer Transformatorsekundärwicklung
verbunden. Der Magnetaktivator spricht auf einen Fehlerstrom in
der Transformatorprimärwicklung mit
einem entsprechenden Strom in der Sekundärwicklung an, um aus einem
inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand zu wechseln. Ein Speicher-Flip-Flop
reagiert auf den Zustand des Magnetaktivators, um einen Schalter
zu öffnen
oder zu schließen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Einrichtung zum Durchführen
einer Funktion in Verbindung mit einem Stromunterbrecher ist besonders
gut geeignet für
Stromunterbrecheranwendungen in Wohngebäuden und enthält in einem Ausführungsbeispiel
einen Transformator mit einem äußeren Hochstromprimärwicklungsleiter.
Der äußere Primärwicklungsleiter
kann gewickelt sein, um eine oder mehrere Windungen aufzuweisen,
und bildet den Primärunterbrecherkontaktstrompfad.
Der äußere Primärwicklungsleiter
dient außerdem
als Primärwicklung
für den
Leistungstransformator, um die elektronischen Komponenten des Unterbrechers
mit Strom zu versorgen.
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Der
Transformator enthält
ferner eine Sekundärwicklung,
die dazu eingerichtet sein kann, elektronische Komponenten des Auslösestromkreises
mit Strom zu versorgen. Die Sekundärwicklung ist so gewickelt,
dass sie eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt mit einer hindurch
führenden Öffnung aufweist.
Der äußere Primärwicklungsleiter
ist um eine Außenfläche des
Sekundärwicklungsleiters
gewickelt. Anschlussleitungen können
mit dem Sekundärwicklungsleiter
elektrisch verbunden sein und aus diesem herausragen, um dem Auslösestromkreis Strom
zuzuführen.
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In
der Sekundärwicklungsöffnung ist
eine dritte oder Auslösewicklung
angeordnet, die dazu eingerichtet sein kann, einen Unterbrecher
elektronisch gesteuert auszulösen.
Insbesondere kann die dritte Wicklung so gewickelt sein, dass sie
eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist. Anschlussleitungen
können
mit dem dritten Wicklungsleiter elektrisch verbunden sein und sich
von diesem zu dem Auslösestromkreis
erstrecken. In der Öffnung der
dritten Wicklung kann ein elektrisch leitfähiger Zylinder angeordnet sein,
und ein Auslösemechanismusbetätigungselement
kann wenigstens teilweise in dem Zylinder angeordnet sein und sich
von einem Ende des dritten Wicklungsleiters aus erstrecken. Das
Betätigungselement
kann mechanisch mit einem mittels Federkraft vorgespannten Schalter
verbunden sein, der seinerseits, wie dies aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt
ist, den Unterbrecherhauptkontakt überspannt.
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Vor
dem Betrieb kann der Primärwicklungsleiter
elektrisch zwischen einer Stromversorgung, z.B. einer Wechselstromnetzleitung,
und den elektronischen Bauelementen des Stromunterbrechers angeschlossen
werden. Die Sekundärwicklungsanschlussleitungen
können
mit dem Auslösestromkreis elektrisch
verbunden sein, um diesem Leistung zuzuführen, und die Anschlussleitungen
der dritten Wicklung können
mit dem elektronischen Auslösestromkreis
elektrisch verbunden sein.
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Im
Betrieb fließt
Strom durch den Primärwicklungsleiter,
und der Primärwicklungsleiter
(und) kann als der Hauptunterbrecherstrompfad dienen. Ein in dem
Sekundärwicklungsleiter
von dem Primärwicklungsleiter
induzierter Strom kann verwendet werden, um die Auslöseschaltkreiskomponenten
mit Strom zu versorgen. Unter normalen Auslösebedingungen regt der Auslösestromkreis
die dritte Spule mit beispielsweise in einem Kondensator gespeicherter
Energie an. Das von dem dritten Wicklungsleiter ausgehende Gleichstromfeld
kann dem durch den Primärwicklungsleiter
erzeugten Wechselstromfeld überlagert
sein. Als Folge hiervon ist das Betätigungselement in der Lage,
den mittels Federkraft vorgespannten mechanischen Schalter zu aktivieren.
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Beim
Auftreten einer hohen Stromstärke, z.B.
bei einem Kurzschluss oder dergleichen, in dem Primärwicklungsleiter
kann die magnetische Kraft des Primärwicklungsleiterfeldes das
Auslösebetätigungselement
aktivieren, so dass sich das Auslösebetätigungselement aus einer ersten,
nicht aktivierten Stellung in eine zweite, aktivierte Stellung bewegt. Wenn
das Betätigungselement
sich in der aktivierten Stellung befindet, ist der Unterbrecher "ausgelöst". Ein solches Auslösen des
Unterbrechers kann vorgesehen sein, ohne dass irgendwelche von dem
Auslösestromkreis
ausgehenden Steuersignale erforderlich sind; vielmehr löst das Betätigungselement
bei dem Auftreten der Bedingung einer hohen Stromstärke in dem
Primärwicklungsleiter
aufgrund der Steigerung der Stärke
des Wechselstromfeldes der Primärwicklung
den Hauptunterbrecherstrompfad aus.
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Die
oben beschriebene Einrichtung schafft den bedeutenden Vorteil, dass
sie die geforderte Funktionalität,
z.B. Stromlieferung und verzögerungsfreies
Hochstromauslösen,
durchführt
und dennoch klein bemessen ist. Anstelle eines 1-Zoll-Formfaktorgehäuses (etwa
2,5 cm) für
einen Wohnungsstromunterbrecher kann ein Gehäuse mit kleineren Abmessungen
genutzt werden. Darüber
hinaus lässt sich
der Transformator problemlos und kostengünstig herstellen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
einzige Figur veranschaulicht schematisch eine integrierte Leistungstransformator-
und Auslöseeinheit
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die
einzige Figur veranschaulicht einen integrierten, verzögerungsfreien
Auslöseleistungstransformator 10 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Obwohl der Transformator 10 gelegentlich
im Vorliegenden im Zusammenhang mit Wohnbereichsanwendungen beschrieben
ist, kann der Transformator 10 selbstverständlich in
anderen An wendungen als Wohnbereichsanwendungen verwendet werden.
Darüber
hinaus kann der Transformator 10 in bekannten Stromunterbrechern verwendet
werden oder unabhängig
von derartigen Stromunterbrechern verwirklicht werden, und die Einheit
ist nicht auf den Einsatz im Zusammenhang mit irgendeiner speziellen
Bauart eines Stromunterbrechers beschränkt.
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Der
Transformator 10 enthält
eine äußere Hochstromprimärwicklung,
die durch einen Leiter 14 gebildet wird. Der äußere Primärwicklungsleiter 14 kann
so gewickelt sein, dass er eine oder mehrere Windungen aufweist
und einen Primärunterbrecherkontaktstrompfad
bildet. Der äußere Primärwicklungsleiter 14 dient
außerdem
als Primärwicklung
für den
Transformator 10, um zumindest einige elektronische Bauelemente
des Unterbrechers, z.B. den (nicht gezeigten) Auslösestromkreis,
mit Strom zu versorgen. An gegenüberliegenden
Enden des Leiters 14 sind Anschlusskontakte 16 angeordnet,
um das Anschließen
des Transformators 10 in dem Primärstrompfad zu erleichtern.
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Der
Transformator 10 enthält
ferner eine Sekundärwicklung 18,
die dazu eingerichtet ist, den (nicht gezeigten) elektronischen
Komponenten des Auslösestromkreises
Energie zu liefern. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
wird die Sekundärwicklung 18 durch
einen Leiter 20 gebildet, der zu einer im Wesentlichen
zylindrischen Gestalt gewickelt ist, die eine hindurch führende Öffnung 22 aufweist.
Der äußere Primärwicklungsleiter 14 ist
um eine Außenfläche 24 des
Sekundärwicklungsleiters 20 gelegt.
Anschlussleitungen 26 sind mit dem Sekundärwicklungsleiter 20 elektrisch
verbunden und ragen aus diesem heraus, um dem Auslösestromkreis
Strom zuzuführen.
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Eine
dritte oder Auslösewicklung 28 ist
in der Sekundärwicklungsöffnung 22 konzentrisch
zu dieser angeordnet. Die dritte Wicklung 28 ist konfiguriert,
um den Unterbrecher unter elektronischer Steuerung auszulösen. Insbesondere
ist die dritte Wicklung 28 durch einen Leiter 30 gebildet,
der zu einer im Wesentlichen zylindrischen Gestalt gewickelt ist.
Der Leiter 30 befindet sich in elektrischem Kontakt mit Anschlussleitungen 34,
die mit der (nicht gezeigten) Auslöseschaltkreiselektronik verbunden
sind. Ein (nicht gezeigter) elektrisch leitfähiger Zylinder kann in der
durch die dritte Wicklung 28 gebildeten Öffnung angeordnet
sein, und ein Auslösemechanismusbetätigungselement 32 ist
wenigstens teilweise in dem Zylinder angeordnet und erstreckt sich
von einem Ende des dritten Wicklungsleiters 30 aus. Das
Auslösebetätigungselement 32 ist
aus dem Stand der Technik bekannt.
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Für die Herstellung
des Transformators 10 kann ein (isolierter) zylindrischer
Spulenkörper
verwendet werden. Spulenkörper
sind aus dem Stand der Technik gut bekannt. Der zweite und dritte
isolierte Leiter 20 und 30 sind unter Verwendung
des (nicht gezeigten) Spulenkörpers
gewickelt, und die Anschlussleitungen 26 und 34 sind
mit den Leitern 20 bzw. 30 elektrisch verbunden.
Die Leiter 20 und 30 können beispielsweise isolierte
Kupferleiter sein.
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Insbesondere
wird der dritte Leiter 30 auf den Spulenkörper gewickelt,
und der zweite Leiter 20 wird anschließend auf den dritten Leiter 30 gewickelt. In
einem Ausführungsbeispiel
wird ein aus Weicheisen mit niedriger magnetischer Dämpfung hergestellter
Zylinder 36 ausgewählt,
der kleinen Abmessungen aufweist, so dass der Zylinder in die durch
den dritten Leiter 30 gebildete Öffnung passt. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel
kann der Zylinder aus laminiertem Stahl hergestellt sein. Auf jeden
Fall wird der Zylinder mit dem Gehäuse mechanisch verbunden, und
der isolierte Spulenkörper
wird gleitend über den
Zylinder geschoben. Der Zylinder sieht eine magnetische Kopplung
zwischen dem Leiter 20 und 30 und dem Betätigungselement 32 vor.
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Der
Primärwicklungsleiter 14 wird
anschließend
auf den zweiten Leiter 20 gewickelt. Das aus Weicheisen,
oder in einem abgewandelten Ausführungsbeispiel
aus laminiertem (Transformator-) Stahl, hergestellte Betätigungselement 32 wird
innerhalb des Zylinders angeordnet. Das Betätigungselement 32 wird
mit einem mittels Federkraft vorgespannten Schalter mechanisch verbunden,
der seinerseits, wie dies aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt
ist, den Unterbrecherhauptkontakt überspannt.
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Vor
dem Betrieb wird der Primärwicklungsleiter 14 elektrisch
zwischen einer Stromversorgung, z.B. einer (nicht gezeigten) Wechselstromnetzleitung,
und den elektronischen Bauelementen des (nicht gezeigten) Stromunterbrechers
angeschlossen. Sekundärwicklungsanschlussleitungen 26 sind mit
dem Auslösestromkreis
elektrisch verbunden, um diesem Leistung zuzuführen, und Anschlussleitungen
der dritten Wicklung 34 sind mit dem elektronischen Auslösestromkreis
elektrisch verbunden, so dass an den Transformator 10 Steuersignale übermittelt
werden können.
Das Betätigungselement 32 ist
mit dem (nicht gezeigten) Unterbrecherschaltermechanismus mechanisch
verbunden, um den Schalter zu betätigen.
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Im
Betrieb fließt
Strom durch den Primärwicklungsleiter 14,
der als Hauptunterbrecherstrompfad dient. Ein in dem Sekundärwicklungsleiter 20 von
dem Primärwicklungsleiter 14 induzierter
Strom wird verwendet, um die Auslöseschaltkreiskomponenten mit
Strom zu versorgen. Unter normalen Auslösebedingungen regt der Auslösestromkreis
die Auslöse-
oder dritte Wicklung 28 mit Energie an, die beispielsweise
in einem (nicht gezeigten) Kondensator gespeichert ist. Das von
dem dritten Wicklungsleiter 30 ausgehende Gleichstromfeld
wird dem durch den Primärwicklungsleiter 14 erzeugten
Wechselstromfeld überlagert.
Als Folge hiervon aktiviert das Betätigungselement 32 den
Unterbrecherschalter.
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Beim
Auftreten einer hohen Stromstärke, z.B.
bei einem Kurzschluss oder dergleichen, in dem Primärwicklungsleiter 14 aktiviert
die Steigerung der magnetischen Feldstärke des Primärwicklungsleiterfeldes
das Auslösebetätigungselement 32,
so dass sich das Betätigungselement
aus der Stellung, in der der Schalter geschlossen ist, d.h. das
Betätigungselement 32 nicht
aktiviert ist, in die Stellung bewegt, in der der Schalter geöffnet ist,
d.h. das Betätigungselement 32 aktiviert
ist. Die Stromstärke,
bei der sich das Auslösebetätigungselement 32 aus
der nicht aktivierten in die aktivierte Stellung bewegt, ist auswählbar, und
gewöhnlich
wird der Hochstrom im Falle eines 15-Ampere- oder 20-Ampere-Stromunterbrechers
als ein Strom im Bereich von 110 Ampere bis 170 Ampere festgelegt.
Wenn sich das Betätigungselement 32 in
der aktivierten Stellung befindet, ist der Unterbrecher "ausgelöst". Ein solches Auslösen des Unterbrechers
wird herbeigeführt,
ohne dass irgendwelche Steuersignale seitens des Auslösestromkreises
erforderlich sind. Vielmehr wird das Betätigungselement 32,
wenn die Bedingung eines Hochstroms in dem Primärwicklungsleiter 14 vorliegt,
aufgrund der Erhöhung
der Feldstärke
des Wechselstromfeldes der Primärwicklung
ausgelöst.
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Zusätzlich zu
dem oben beschriebenen verzögerungsfreien
Auslösen
kann ein Steuersignal von dem Auslösestromkreis über Anschlussleitungen 34 an
den dritten Wicklungsleiter 30 übermittelt werden. Das Steuersignal
kann beispielsweise ein Spannungssignal mit hohem Pegel sein, das
veranlasst, dass sich das Betätigungselement 32 aus
der Stellung, in der der Schalter eingeschaltet ist, in die Stellung
bewegt, in der der Schalter unterbrochen ist. Folglich kann zusätzlich zur
Bereitstellung eines verzögerungsfreien
Auslösens
beim Auftreten eines Kurzschlusses oder dgl. der Transformator 10 durch eine
extern angelegte Spannung von dem Auslösestromkreis her zum Auslösen veranlasst
werden.
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Der
integrierte Auslösespulen-
und Leistungstransformator 10 schafft die erforderliche
Funktionalität,
d.h. Lieferung von Strom und verzögerungsfreies Hochstromauslösen, während er
dennoch klein in seiner Abmessung ist. Anstelle eines 1-Zoll-(etwa
2,5 cm)-Formfaktorgehäuses
für einen Wohnungsstromunterbrecher
kann ein Gehäuse
mit kleineren Abmessungen (z.B. ein 0,75-Zoll-(etwa 1,8 cm)-Formfaktorgehäuse) genutzt
werden. Darüber hinaus
ist die Herstellung des Transformators weder schwierig noch teuer.
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Während lediglich
gewisse bevorzugte Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden,
erschließen
sich dem Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen. Beispielsweise könnte anstelle
eines Zylinders mit einem runden Querschnitt zur Erzeugung einer
magnetischen Kopplung zwischen dem Leiter und dem Betätigungselement
ein Zylinder mit einem rechtwinkligen Querschnitt verwendet wer den.
Es ist somit selbstverständlich,
dass der Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche
sämtliche
Abwandlungen und Veränderungen
dieser Art abdecken soll.