EP0096834A2

EP0096834A2 - Schutzschaltung, insbesondere für elektrische Geräte

Info

Publication number: EP0096834A2
Application number: EP83105600A
Authority: EP
Inventors: Manfred Rupalla; Klaus Stärk; Renate Schulz; Edward Albert Rule
Original assignee: Wickmann Werke GmbH
Current assignee: Wickmann Werke GmbH
Priority date: 1982-06-11
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1983-12-28
Also published as: EP0096834A3

Abstract

Eine Schutzschaltung weist im Leistungs- oder Primärkreis ein Schmelzelement (2) als Kurzschlußschutz und in einem Sekundärkreis einen temperaturabhängigen Widerstand (7) auf, der vom Schmelzelement (2) galvanisch getrennt, aber mit diesem thermisch gekoppelt ist. Wenn sich das Schmelzelement (2) unter Strombelastung, insbesondere unter Überstrombelastung, im Primärkreis erwärmt, wird der temperaturabhängige Widerstand (7) aufgrund der Wärmekopplung ebenfalls erwärmt mit entsprechender Änderung seiner Widerstandswerte proportional zu der auf das Schmelzelement (2) im Primärkreis einwirkenden Strombelastung. Bei Erreichen bestimmter Momentanwerte des Widerstands (7), die vorbestimmten Arbeitspunkten entsprechen, schaltet der Sekundärkreis den Primärkreis ab oder übt anderweitige Schutzfunktionen aus. In dieser Schutzschaltung sind das Schmelzelement (2) und der hiermit thermisch gekoppelte temperaturabhängige Widerstand (7) als gesondertes elektrisches Bauelement galvanisch getrennt gemeinsam an einem wärmedurchlässigen Träger (1) aus Isoliermaterial angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung insbesondere für elektrische Geräte, die bei Uberstrombelastung mittels eines bis zum Durchschmelzen erwärmbaren Schmelzelementes einer Sicherung abschaltbar sind, sowie ein elektrisches Bauelement für diese Schutzschaltung.
Mit einem abschmelzbaren Schmelzelement versehene elektrische Sicherungen haben eine vorgegebene Charakteristik in Form einer von der Strombelastung und von der Zeitdauer der Einwirkung der Strombelastung abhängigen Abschaltkurve. Diese ist für den Anwender, nämlich für den Hersteller elektrischer Maschinen und Geräte wichtig, damit er für die jeweils erforderliche Schutzfunktion einen geeigneten Sicherungstyp auswählen kann.
Bedingt durch Fertigungstoleranzen und Einsatzbedingungen unterliegen die Abschaltpunkte, aus denen sich die Abschaltkurve zusammensetzt, jedoch gewissen Streuungen, so daß die Abschaltkurve nicht als Kennlinie, sondern nur als Toleranzbereich angegeben werden kann, der von einer unteren und einer oberen Hüllkurve begrenzt wird. Im Bereich unterhalb der unteren Hüllkurve erfolgt im Belastungsfall keine Abschaltung, im Toleranzbereich wird zuverlässig abgeschaltet, und Betriebspunkte oberhalb der oberen Hüllkurve sind wegen bereits erfolgter Abschaltung garantiert ausgeschlossen. Je nach Strombelastung läßt sich der Bereich unterhalb der unteren Hüllkurve, in Richtung zunehmender Strombelastung gesehen, in einen Uberlastbereich, einen übergangsbereich und einen Kurzschlußbereich unterteilen. Da das durch die beiden Hüllkurven gebildete Toleranzband oberhalb des Uberlastbereichs gewöhnlich einen sehr steilen Verlauf zeigt, verursachen hier bereits kleinste Änderungen in der Strombelastung große Änderungen der Zeitdauer bis zum Abschmelzen des Schmelzelementes .
Zur Überwindung der durch den Toleranzbereich der Abschaltkurve bedingten Schwierigkeiten, die sich beispielsweise bei der Auslegung der Belastbarkeit elektrischer Geräte ergeben, werden häufig elektronische Sicherungen eingesetzt, in denen Halbleiterschaltungen die Momentanstrombelastung kontinuierlich messen und den Leistungskreis über entsprechende Relais abschalten, wenn die Strombelastung beispielsweise die untere Hüllkurve des Toleranzbandes erreicht. Die Verwendung kostspieliger elektronischer Sicherungen in Verbindung mit entsprechenden Abschaltvorrichtungen bedingt jedoch einen zusätzlichen Bauaufwand mit entsprechender Zunahme der Herstellungskosten der Geräte.
Es besteht daher die Aufgabe, eine einfache Schutzschaltung für elektrische Geräte und Systeme zu schaffen, mit der der Leistungskreis der Geräte bzw. Systeme im Kurzschlußbereich sicher von der Stromzufuhr getrennt wird und mit der im Überlast- und Übergangsbereich in Abhängigkeit von der jeweiligen Strombelastung vorbestimmte Schutzschaltfunktionen ausführbar sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß das Schmelzelement in einem Primärkreis, der dem zu schützenden Leistungskreis entspricht, angeordnet und mit einem hiervon galvanisch getrennten, temperaturabhängigen Widerstand eines Sekundärkreises thermisch derart gekoppelt ist, daß der als Steuerkreis ausgebildete Sekundärkreis bei Erreichen bestimmter Momentanwerte des temperaturabhängigen Widerstands den Primärkreis abschaltet oder eine anderweitige Schutzfunktion ausübt.
Diese Schutzschaltung läßt in einfacher Weise eine Regelung des Leistungskreises elektrischer Geräte im Überlast-und Übergangsbereich unter Beibehaltung des vollen Kurzschlußschutzes zu, so daß die bisher nur mit relativ kostenintensiven Maßnahmen beherrschbaren Probleme im Uberstrombereich der Sicherung vermieden werden. Dabei sind Primär- und Sekundärkreis galvanisch voneinander getrennt. Der mit dem Schmelzelement thermisch gekoppelte temperaturabhängige Widerstand, dessen Widerstandsänderung proportional zum Betriebsstrom des Leistungskreises ist, läßt die Einstellung von Schaltpunkten im Sekundärkreis zu, der als Steuerkreis bei Erreichen der vorbestimmten Schaltpunkte den Primärkreis vorübergehend abschalten oder dessen Strombelastung reduzieren kann. Die Proportionalität zwischen der Erwärmung des Schmelzelementes und der Widerstandsänderung des thermisch mit dem Schmelzelement gekoppelten temperaturabhängigen Widerstands ermöglicht somit eine permanente Überwachung des gesamten Arbeitsbereichs des Schmelzelementes insbesondere im Uberstrombereich. Dabei bleibt die Charakteristik der eigentlichen Kurzschlußsicherung in Folge der nur thermisch bedingten Kopplung unbeeinflußt.
Darüber hinaus stehen die im Steuerstromkreis in Folge der dort registrierten Widerstandsänderung des temperaturabhängigen Widerstands erzeugbaren Schaltimpulse auch zu anderen Zwecken als dem Abschalten des Leistungskreises zur Verfügung. Dadurch hat der Anwender die Möglichkeit, auch andere Funktionen durch den Steuerstromkreis in Abhängigkeit von der Belastung des Leistungskreises ausführen zu lassen.
Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Anspruch 2 gekennzeichnet durch eine größtmögliche Konzentration des vom Schmelzelement zu dem temperaturabhängigen Widerstand verlaufenden Wärmeflusses auf den Bereich einer Engstelle des Schmelzelementes und des dieser Engstelle unmittelbar gegenüberliegenden temperaturabhängigen Widerstands, indem das Temperaturprofil längs des Schmelzelementes an der Engstelle eine stark ausgeprägte Spitze zeigt und im übrigen außerhalb des vorgenannten Bereichs stark abfällt. Hierdurch wird eine enge, sehr spontane Wärmekopplung zwischen dem Schmelzelement und dem temperaturabhängigen Widerstand sowie eine hohe Schaltgenauigkeit erreicht. Im Kurzschlußbereich wird ein noch schnelleres Abschalten der Sicherung erreicht, und die im Schmelzelement erzeugte Stromwärme bleibt auf einen winzigen lokalen Bereich beschränkt, so daß sich keine Wärmepropleme ergeben, wenn die Schutzschaltung beispielsweise in Chipform ausgeführt ist. Auch thermische Fremdeinflüsse, beispielsweise eine relativ tiefe oder hohe Umgebungstemperatur, können bei derart enger Wärmekopplung das Ergebnis nicht beeinflussen, so daß die Notwendigkeit der Schaffung einer Referenztemperatur entfällt.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein elektrisches Bauelement, das in einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung Verwendung finden soll- und dadurch gekennzeichnet ist, daß das Schmelzelement und der Widerstand galvanisch getrennt gemeinsam an einem wärmedurchlässigen Träger aus Isoliermaterial angeordnet und mit elektrischen Anschlüssen oder Steckkontakten versehen sind. Mit diesem in sich geschlossenen Bauelement mit den entsprechenden Anschlüssen für den Primär- bzw. Sekundärkreis wird eine wesentliche Voraussetzung für die erfindungsgemäße Schutzschaltung in sehr einfacher Weise erreicht.
Vorzugsweise sind das Schmelzelement und der Widerstand des elektrischen Bauelementes an gegenüberliegenden Oberflächen des Trägers aus plattenförmigem Isoliermaterial angeordnete und der Wärmefluß verläuft von der Engstelle des Schmelzelementes zum Widerstand in Dickenrichtung des Trägers. Hierbei verleiht der Träger dem elektrischen Bauelement eine ausreichende Festigkeit, und er dient gleichzeitig als Mittel der galvanischen Trennung sowie der Wärmekopplung, und die einzelnen Funktionen wie auch der Wärmefluß vom Schmelzelement zum Widerstand sind bei dieser Anordnung relativ leicht vorherbestimmbar.
Hierzu gehört auch die "hot spot"-Geometrie, wofür in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, daß das Schmelzelement für ein Temperaturprofil mit ausgeprägter Spitze an der Engstelle im Querschnitt mehrfach abgestuft ist, nämlich zwischen zum Kontaktieren bestimmte Leiterbahnen und die Engstelle jeweils verjüngte Teile eingefügt sind. Diese Ausbildung findet später noch einmal eine genauere Erläuterung.
Kleinstmögliche Abmessungen für ein solches Bauelement beispielsweise in Chipform sind erreichbar, wenn das Schmelzelement und/oder eine den temperaturabhängigen Widerstand enthaltende Sensorbahn in Windungen an dem Träger verlaufen.
Wenn eine äußerst spontane, also praktisch verzögerungsfreie Wärmekopplung erforderlich ist, muß man, wenn es bei einer einfachen Herstellung bleiben soll, die Funktionen des vorerwähnten Trägers aufteilen. Vorzugsweise weist ein solches Bauelement eine engstmögliche thermische Kopplung zwischen dem Schmelzelement und dem temperaturabhängigen Widerstand durch Trennung der beiden Teile mittels einer hauchdünnen, wärmeleitenden Isolierschicht und durch Befestigung dieser Anordnung an einem Träger aus Isoliermaterial auf.
Geringstmögliche Abmessungen sowie eine sehr einfache Herstellung im Siebdruckverfahren werden durch einen Schichtaufbau aus Träger, Widerstand, Isolierschicht und Schmelzelement ermöglicht. In welcher Reihenfolge die Elemente über- bzw. nebeneinander angeordnet werden, hängt von den Bedürfnissen des Einzelfalls ab. Der Träger läßt sich auch beidseitig jeweils mit einem Schichtaufbau versehen, wenn eine Mehrfachsicherung mit entsprechender Wärmekopplung gewünscht wird.
Es kann auch vorteilhaft sein, daß ein Schmelzelement eine Wärmekopplung zu mehr als einem temperaturabhängigen Widerstand aufweist, beispielsweise auf beiden Seiten des Schmelzelementes ein temperaturabhängiger Widerstand, durch ein Dielektrikum getrennt, angeordnet ist, wobei die Charakteristik der Widerstände verschieden sein kann. In Anwendung auf einen Träger mit doppelseitigem Schichtaufbau kann man so ein Bauelement mit zwei Sicherungen und vier hiervon abhängigen Widerständen erhalten.
Grundsätzlich sollen einzelne oder alle Schmelzelemente und/oder Widerstände und sonstige Schichten möglichst im Siebdruckverfahren auf den Träger und/oder aufeinander aufgebracht werden. Die Dickfilmtechnik läßt insofern eine einfache Verwirklichung der Erfindung zu.
Beispiele der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein elektrisches Bauteil mit Träger, Schmelzelement und temperaturabhängigem Widerstand;
Fig. 2 eine Seitenansicht zu Fig. 1;
Fig. 2a eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 1, jedoch mit Darstellung des Temperaturprofils längs des Schmelzelementes;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Bauelementes in Chipform;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Bauelementes mit Anordnung mehrerer Schichten übereinander auf einem Träger;
Fig. 5 eine Ansicht zu Fig. 4 in Richtung des Pfeils A von Fig. 4;
Fig. 6 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Zeitdauer t bis zum Abschalten des Schmelzelementes in Abhängigkeit vom jeweiligen I/IN-Verhältnis im Primärkreis;
Fig. 7 ein der Fig. 6 ähnliches Diagramm zur Darstellung der Zeitdauer t in Abhängigkeit vom I/I_N-Verhältnis im Primärkreis beim Erreichen von drei Widerstandswerten eines temperaturabhängigen Widerstands im Sekundärkreis;
Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der Änderung des Widerstands R im Sekundärkreis in Abhängigkeit von der Zeit t für vier verschiedene Strombelastungsverhältnisse im Primärkreis;
Fig. 9 ein Diagramm mit zwei Kurven zur Darstellung der Änderung des Widerstands im Sekundärkreis in Abhängigkeit vom Momentan-Stromwert I im Primärkreis bei stationären Verhältnissen für zwei verschiedene Typen elektrischer Bauelemente;
Fig. 10 eine Testschaltung zur Darstellung der Beeinflussung eines Primärkreises durch einen hiermit über ein erfindungsgemäßes Bauelement thermisch gekoppelten Sekundärkreis;
Fig. 11 eine Folgeschaltung mit mehreren die Funktion der Wärmekopplung übernehmenden elektrischen Bauelementen;
Fig. 12 eine Prinzipschaltung eines HF-Leistungsmeßgerätes;
Fig. 13 ein Diagramm zur Darstellung des von Hüllkurven begrenzten Toleranzbereichs der Abschaltkurve oder Strom- Zeit-Kennlinie eines flinken Schmelzelementes;
Fig. 14 ein ähnliches Diagramm wie in Fig. 7 und 13, jedoch mit Darstellung des Toleranzbandes etc. eines Schmelzelementes mit superflinker Charakteristik für den Überlastbereich.

Ein für Schutzschaltungen bestimmtes elektrisches Bauelement gemäß Fig. 1 und 2 besteht aus einem Träger 1, hergestellt aus handelsüblichem 0,36 mm Keramik-Plattenmaterial aus Aluminiumoxid mit einem Reinheitsgrad von 96%. Es weist auf der Oberseite ein allgemein mit 2 bezeichnetes Schmelzelement auf, das aus zwei Leiterbahnen 4, im Querschnitt verjüngten Teilen 4' sowie einer mittigen Engstelle 3 in der dargestellten Weise gebildet ist und mit Lot 5 an den Enden befestigte Anschlüsse 6 aufweist. An der entgegengesetzten Seite des Trägers 1 ist, der Engstelle 3 mittig exakt gegenüberliegend, ein als NTC-Sensor ausgebildeter temperaturabhängiger Widerstand 7 angeordnet, der beidseitig Leiterbahnen 8 sowie mit Lot befestigte Anschlüsse 10 aufweist.
Die vorgenannten Schichten sind im Siebdurckverfahren auf den Träger 1 aufgebracht und in Dickfilmtechnik in üblicher Weise verfestigt worden. Das Schmelzelement 2 besteht aus handelsüblicher Schmelzleiterpaste und ist für einen Nennstrom IN von 2,5 A ausgelegt. Der temperaturabhängige Widerstand 7 ist aus einer handelsüblichen Paste einer Schichtdicke von ca. 25 µ gebildet und für einen Kaltwiderstand von 105 Ohm ausgelegt und genauso wie das Schmelzelement 2 durch Anwendung bekannter Dickfilmtechnik auf dem Träger 1 verfestigt worden.
Dieses Ausführungsbeispiel liegt den Versuchen zur Ermittlung der Meßwerte für die Diagramme gemäß Fig. 6 - 9 zugrunde.
Für die Funktion dieses Bauelementes ist eine Konzentration der im Schmelzelement 2 erzeugten Wärme auf die Engstelle 3 sehr erwünscht, und ein hierfür geeignetes Temperaturprofil ist als Diagramm in Abhängigkeit von der Schmelzleiterlänge L und der Temperatur t über dem elektrischen Bauelement in Fig. 2a dargestellt. Ein solches Profil stellt sich bei sehr enger Wärmekopplung zwischen dem Schmelzelement 2 und dem temperaturab_- hängigen Widerstand 7 unter Strombelastung ein. Hierfür nehmen die Querschnitte des Schmelzelementes 2 jeweils von außen nach innen abgestuft entsprechend ab. Den Teilen 4' beiderseits der Engstelle 3 kommt bei der Ausbildung dieses Temperaturprofils besondere Bedeutung zu. Sie müssen nämlich deutlich schmaler sein als die zum Kontaktieren bestimmten Leiterbahnen 4, andernfalls würde zuviel Wärme von der Engstelle 3 auf die benachbarten Teile 4' übergehen, und es könnte sich keine ausgeprägte Spitze im Temperaturprofil an der Engstelle ausbilden. Eine ausgeprägte Temperaturspitze wird für einen spontanen Wärmestoß zur blitzschnellen Aufheizung des temperaturabhängigen Widerstands 7, unabhängig von Fremdeinflüssen, gebraucht. Andererseits dürfen die Teile 4' auch nicht zu schmal werden, weil sie sich sonst selbst zu stark erhitzen und dadurch eine wesentlich größere Fläche der Umgebung der Engstelle 3 aufheizen. Die Folge wäre bei länger anhaltenden Überströmen ein unerwünschtes Heißwerden des Chips, wenn das Bauelement in Chipform hergestellt ist.
Die gleiche Konzentration in der Wärmeaufnahme am temperaturabhängigen Widerstand 7 ergibt sich bei etwa an gleicher Stelle zur Mitte, nämlich zum Widerstand 7 hin, abnehmenden Querschnitten.
Wenn das elektrische Bauelement über die Anschlüsse 6 bzw. 10 in einem Primärkreis und einem hiervon galvanisch getrennten Sekundärkreis liegt, geht die bei Strombelastung im Primärkreis an der Engstelle 3 entstehende Wärme in Dickenrichtung des Trägers 1 auf den temperaturabhängigen Widerstand 7 über, so daß sich dessen Widerstandswert proportional zur Strombelastung reduziert. Bei Verwendung eines PTC-Sensors würde sich eine entsprechende Widerstandserhöhung ergeben. Auf diese Weise lassen sich im Sekundärkreis bei Erreichen vorbestimmter Widerstandswerte Schaltimpule erzeugen und zur Ausführung von Schutzfunktionen auf den Primärkreis anwenden, beispielsweise zu dessen vorübergehender Abschaltung, wie später noch an Beispielen näher erläutert wird.
In Fig. 3 ist ein in Chipform mit Steckkontakten 6 ' 'bzw. 10 ' ' hergestelltes Bauelement dargestellt, bei dem das Schmelzelement 2 in Windungen verläuft und auch die Sensorbahnen bzw. Leiterbahnen 8 platzsparend auf dem Träger 1 aufgebracht sind, um zu einer möglichst geringen Chipgröße zu gelangen. Die jeweils an die Enden des Schmelzelementes 2 bzw. der Leiterbahnen 4 angelöteten Kontaktstifte 6" bzw. 10 ' ' stehen in paralleler Anordnung von einer Chipseite vor, und das mit einem Tauchmantel versehene Chip weist Abmessungen von höchstens 5 x 10 x 0,6 mm auf.
In dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der temperaturabhängige Widerstand 7 mit seinen Leiterbahnen 8' und Anschlüssen 10' sowie eine beispielsweise aus Porzellan bestehende hauchdünne Isolierschicht 11 und darauf das Schmelzelement 2 mit seinen Leiterbahnen 4' sowie den Anschlüssen 6' schichtweise übereinander auf dem Träger 1' im Siebdruckverfahren aufgebracht. Da das Dielektrikum in Gestalt der Isolierschicht 11 sehr viel dünner ausgebildet sein kann als die Träger 1 in den vorhergehenden Beispielen, ergibt sich bei diesem Ausführungsbeispiel eine äußerst spontane Wärmekopplung zwischen der Engstelle 3und dem temperaturabhängigen Widerstand 7. Die Isolierschicht 11 wird dabei ebenfalls aus einer hierfür geeigneten handelsüblichen Paste mit einer Schichtdicke von beispielsweise 25 µ hergestellt.
In den Diagrammen von Fig. 6 - 9 sind die Ergebnisse von Versuchen mit einem Bauelement gemäß Fig. 1 und 2 ausgelegt für I_N = 2,5 (A), dargestellt. Das im Primär- bzw. Leistungskreis angeordnete Schmelzelement des Bauelements wurde verschiedenen Strombelastungen, vor allem mit 1,1 I_N , 1,2 IN_' 1,3 IN und 1,4 IN , ausgesetzt. An dem im Sekundärkreis angeordneten und mit dem Schmelzelement thermisch gekoppelten sowie als NTC-Sensor (Kaltwiderstand = 10⁵ Ohm) ausgebildeten Widerstand ergaben sich den wechselnden Strombelastungen entsprechende Widerstandsänderungen in Abhängigkeit von der Einwirkdauer. Die registrierten Widerstandswerte sind für den praktischen Einsatz zur Festlegung der jeweiligen Arbeits- bzw. Schaltpunkte des Sekundärkreises zur Ausführung der jeweils gewünschten Schutzschaltfunktion wesentlich.
Fig. 6 zeigt schematisch, und zwar ohne Toleranzbereich, in einfach logarithmischem Maßstab die Strom-Zeit-Charakteristik des Schmelzelementes, wobei der hier besonders interessierende Dauerbelastungsbereich mit S bezeichnet ist. Zu jedem Strombelastungswert I/I_N läßt sich hier die Dauer der Abschaltzeit des Schmelzelementes (an der Engstelle 3) ablesen. Meßergebnisse aus dem Sekundärkreis sind hier nicht eingetragen.
Fig. 7 zeigt auf den Bereich S beschränkt mit gestrichelt eingezeichneter Abschaltkurve und mit gespreiztem Maßstab der Abzisse und Ordinate, nochmals das Verhältnis zwischen Strombelastung und Abschaltdauer des Schmelzelementes, und zusätzlich sind die Kurven der Widerstandswerte 5 sowie 10 und 25 kiloohm eingetragen, die sich in Abhängigkeit bestimmter Strombelastungen I/I_N nach entsprechender Zeitdauer ergeben. Insofern zeigt Fig. 7 die Spontanität der Wärmekopplung zwischen dem Schmelzelement und dem NTC-Sensor. Für bestimmte Strombelastungen I/I_N läßt sich aus den Kurven ablesen, nach welcher Einwirkdauer sich am NTC-Sensor Widerstandswerte von 5 bzw. 10 oder 25 kiloohm ergeben. Durch verschiedene Symbole (Dreieck, Kreis, Viereck) eingezeichnet sind die Meßpunkte mit 1,4 sowie 1,2 und 1,1 I/I_N. Bei 1,4,I/I_N ergibt sich z.B. nach einer Zeitdauer von ca. 5 s ein Widerstandswert von 25 kiloohm, nach 10 s sind es 10 kiloohm, und nach ca. 13 s sind es etwa 5 kiloohm, womit allerdings gleichzeitig das Schmelzelement seine Abschaltkurve erreicht. Bei nur 1,2 I/I_N werden dagegen nach 10 s erst 25 kiloohm erreicht.
Die deutlich höhere Annahme des Widerstandswertes am Widerstand 7 ist Fig. 8 zu entnehmen, wo die Widerstandsänderungen in Kurvenform über der Zeitachse für die Strombelastungen 1,1 sowie 1,2 und 1,3 sowie 1,4 I/I_N dargestellt sind. Bei sehr enger Wärmekopplung, etwa für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, könnte sich die gestrichelt eingezogene Linie ergeben.
Fig. 9 zeigt die abfallenden Kurven von 2 verschiedenen Typen des elektrischen Bauelements zur Verdeutlichung der Abhängigkeit der Änderung der Widerstandswerte im Sekundärkreis von der jeweiligen Strombelastung im Primärkreis im stationären Zustand, der dem Kurvenauslauf von Fig. 8 für die dort angegebenen Strombelastungen entspricht.
Je nach Verwendungszweck läßt sich der temperaturabhängige Widerstand, der mit dem Schmelzelement thermisch gekoppelt ist, durch ein temperaturabhängiges Dielektrikum ersetzen, beispielsweise durch einen Kondensator oder durch einen magnetischen Sensor mit temperaturabhängigen Permeabilitätsänderungen. Auch der Träger selbst kann ein Temperatursensor sein, wenn für den Träger ein Substrat mit ausgeprägtem piezoelektrischem Effekt benutzt wird.
In der Testschaltung gemäß Fig. 10 wurde ein elektrisches Bauelement PR (benannt nach seinem Handelsnamen PROTENSOR) mit folgenden Kennwerten verwendet:

Im Primärkreis CPI: IN = 1 A superflink; R = 250 m Ohm +/- 10%
im Sekundärkreis CSI: R₂₀ = 100 KOhm +/- 10% Temperaturkoeffizient: ^TKR20-125 Grad C : ^-0 _, ^87%/K (Kelvin)

Obwohl die primärseitige Sicherung (Schmelzelement) des Schutzbauelements PR für eine Nennspannung von 220 V ausgelegt ist, wurde die Testschaltung aus Sicherheitsgründen mit 6,3 V betrieben. Die Stromquelle von 220 V ist durch einen Hauptschalter S₁ abschaltbar, primärseitig vom Tranformator T befindet sich eine Sicherung Si T 0,1 A. Der vom Trafo T sekundärseitige Primärkreis CPI enthält den zweiten Haupteinschalter S₂, einen vom Relais K des Sekundärkreises CSI schaltbaren Kontakt K_S, ein Potentiometer P₂, das bereits genannte Schutzbauteil PR, einen Widerstand R₁ zur Maximalwertbegrenzung und einen Schalter S₃ als Kurzschlußsimulator.
Der mit dem Primärkreis CPI thermisch gekoppelte Sekundärkreis CSI ist als Basisspannungsteiler ausgebildet und weist ein Potentiometer P₁ zur Einstellung des Schaltpunktes des Sekundärkreises CSI, ein Schaltrelais K_R und einen Transistor T₁ vom Typ BC 107 auf, und die Speisegleichspannung beträgt 15 V.
Mit zunehmender Strombelastung des Schmelzelementes im Schutzbauteil PR reduziert sich der Spannungsabfall am temperaturabhängigen Widerstand R₂₀ des Sekundärkreises CSI proportional zur Abnahme des Widerstandswertes, und entsprechend steigt der Spannungsabfall am Potentiometer P₁. Wenn mit weiter zunehmender Strombelastung im Primärkreis CPI der Widerstand R₂₀ auf einen vorbestimmten Wert reduziert ist, schaltet der Transistor T₁ durch, das Relais K_R zieht an und öffnet den Kontakt K_S im Primärkreis CPI, so daß der Primärkreis CPI stromlos wird. Es handelt sich jedoch, und dies ist für die Erfindung wichtig, um eine reversible Abschaltung. Denn sobald die Temperatur des Schmelzelementes und des Widerstands R₂₀ im Schutzbauteil PR durch die Strompause entsprechend zurückgegangen ist, hat der Wert des Widerstands R₂₀ wieder entsprechend zugenommen, so daß das Relais K_R wieder stromlos wird und der Kontakt K_S den Primärkreis CPI wieder schließt. Wenn dagegen der Schalter S₃ geschlossen wird, schaltet das Schmelzelement des Schutzbauteils PR den Primärkreis CPI durch Abschmelzen irreversibel ab.
Statt einer selbständigen Wiedereinschaltung'nach Abkühlen des NTC-Sensors bzw. Widerstands R₂₀ kommt in der Schaltung gemäß Figur 10 auch ein gezieltes Wiedereinschalten mit einer Rückstelltaste in Frage. Auch eine einfache Rückstellung, z. B. durch ein Relais mit Selbsthaltung oder mit einem Thyristor anstelle des Transistors ist möglich. Für welche Möglichkeit der Rückstellung und für welche Schaltung insgesamt sich der Anwender entscheidet, hängt im wesentlichen vom jeweiligen Einsatzfall ab.
Figur 11 zeigt in einer Prinzipschaltung, wie mehrere Schutzbauteile PR 1, PR 2 und PR 3 als Folgeschalter in mehreren voneinander abhängigen Primär- und Sekundärkreisen eingesetzt werden können. Drei Primärkreise, gekennzeichnet durch Leitungen L1, L₂ und L₃, weisen mit drei Sekundärkreisep,jeweils über eines der Schutzbauteile PR 1, PR 2 und PR 3 thermisch gekoppelte Sekundärkreise auf. Im Sekundärkreis CSII₁ liegt ein Widerstand R₃ und ein Thyristor Thy1, im Sekundärkreis CSII₂ liegen ein Widerstand R₄ und ein Thyristor Thy2, und im Sekundärkreis CSII₃3 liegen ein Widerstand R5, ein Transistor TR sowie eine Relaisspule RS.
Wenn durch die Leitung _L1 ein vorgegebener Strom fließt, wird über das Schmelzelement im Schutzbauteil PR1 der Wert des temperaturabhängigen Widerstands geändert, und zwar bis zu einem Wert, bei dem der Thyristor Thy1 durchschaltet und Strom im zweiten Primärkreis entsprechend der Ieitung L₂fließt, mit der Folge, daß wiederum der Thyristor Thy2 zum Durchschalten gebracht wird, wenn in der Leitung L₂ der vorgegebene Mindeststrom fließt. Das Schutzbauteil PR3 schaltet den Transistor TR und damit das Relais RS, mit dem ein bestimmter Schaltvorgang vorgenommen wird, der jedoch aus Sicherheitsgründen zur Voraussetzung hat, daß zuerst in den Leitungen 1 und 2 der Strom fließt und zuletzt in der Leitung ^L ₃.
Solche Schaltungen eignen sich besonders gut für Sicherheitsverriegelungen, z. B. wenn eine Lampe erst dann eingeschaltet werden darf, wenn ein Ventilator läuft, wie es für Projektionsgeräte, je nach Leistung, notwendig ist.
Da das Schmelzelement und der temperaturabhängige Widerstand jedes der Schutzbauteile elektrisch voneinander isoliert sind, kann jede Stufe, wenn gewünscht, elektrisch unabhängig von der anderen eingesetzt werden. Wesentlich ist ferner, daß jedes der Schutzbauteile seine Sicherungsfunktion für den Fall, daß überströme auftreten, beibehält. Denn ein Durchschmelzen des Schmelzelementes in einem der Schutzbauteile löst auch eine Unterbrechung des Stromes in den Folgekreisen aus. Ebenso wird der Folgekreis unterbrochen, wenn in einem Kreis aus anderen Gründen kein Strom mehr fließt bzw. der Strom unter einen vorgegebenen Wert fällt.
Anstelle der Thyristoren lassen sich auch transistorgesteuerte Relais verwenden. In jedem Falle behalten die Schutzbauteile PR1, PR2 und PR3 ihre Doppelfunktion als Sicherung gegen Überstrom bzw. Kurzschlußstrom und als Sensor für Schalt- bzw. Regelaufgaben.
Figur 12 zeigt eine Prinzipschaltung eines HF-Leistungsmeßgerätes, womit unterstrichen wird, daß das neue elektrische Bauelement bzw. Schutzbauteil sowohl bei Gleichstrom als auch bis in den VHF-Bereich hinein gleich gut arbeitet und sich damit für viele Anwendungen im Telekommunikationsbereich eignet. Denn es kann dem Schutz der Leistungsstufen von Sendern, einer HF-Leistungsmessung, Messungen im Kurzwellenbereich (da keine Dioden benötigt werden, entfällt bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schutzbauteils bei Leistungsmessungen im Kurzwellenbereich die Gefahr der Oberwelleneinstreuung in den Antennenkreis) sowie dem Schutz von Meßsendern etc. dienen.
Das Meßgerät gemäß Figur 12 eignet sich für 50 Ohm Koaxialkabel und einen Leistungsmeßbereich von 1 - 8 Watt. Der Meßbereich ist nahezu linear mit zunehmender Empfindlichkeit im hohen Leistungsbereich im Gegensatz zu konventionellen Leistungsmeßgeräten, die hier verringerte Emfindlichkeit zeigen.
Ein Leistungs- oder Primärkreis CPIII ist durch einen Schutzbauteil PR4 (0,4 A) mit einem Sekundärkreis CSIII thermisch gekoppelt. Ein 2,5 A-Schutzbauteil wäre für Leistungsmeßgeräte bis 300 Watt erforderlich. Im Sekundärkreis CSIII befinden sich in der aus Figur 12 ersichtlichen Schaltung ein Widerstand R7, eine 12V-Zenerdiode Z, Widerstände R8 und R9 sowie Abgleichswiderstände VR1 und VR2 in der Brückenschaltung, ferner ein NTC-Widerstand und ein Amperemeter AM.
Das Meßgerät kann mit Gleichstrom geeicht werden. Die Nulleinstellung wird am Abgleichswiderstand VR1 vorgenommen, wenn kein Strom fließt. Der Endausschlag (8 Watt) wird am Abgleichswiderstand VR2 bei maximalem Stromfluß durch den Primärkreis CPIII eingestellt.
Wegen der Thermokopplung sollte beim Eichen auf Temperaturgleichgewicht geachtet werden.
Figur 13 zeigt die Abschaltkurve oder Strom-Zeit-Kennlinie eines genormten Geräte-Sicherungseinsatzes (G-Sicherungseinsatz nach DIN 41661) als Toleranzband T, das von einer unteren Hüllkurve H_U und einer oberen Hüllkurve H₀ begrenzt ist. Von den drei unterhalb der Hüllkurve H_U eingezeichneten Betriebsbereichen, nämlich dem Überlastbereich 1r,dem Ubergangsbereich2rund dem Kurzschlußbereich ₃r,ist der Überlastbereich 1r für den Anwender besonders problematisch, wie eingangs im einzelnen dargelegt ist. Schon kleinste Änderungen von Fehlerströmen können innerhalb der zulässigen Streuungen große Änderungen der Schmelzdauer bis zum Abschalten der Schmelzsicherung zur Folge haben. Bei einem überstrom von 1,5 I/I_N muß eine genormte flinke Schmelzsicherung mit dem Nennstrom I_N = 1 A eine Schmelzdauer von mindestens 1 Stunde haben (Abschaltpunkt auf der Hüllkurve H_U). Erhöht sich der Überstrom relativ geringfügig auf 1,8 I/I_N reduziert sich die Schmelzdauer auf ca. 500 m/sek., wenn die Abschmelzdauer des Schmelzeinsatzes an der unteren Hüllkurve H liegt, sie kann aber wegen der großen Steilheit der Kurve auch undefiniert lang sein, wenn der Schmelzeinsatz im oberen Teil des Toleranzbandes nahe der oberen Hüllkurve H₀ liegt. Konventionelle G-Schmelzelemente werden deshalb vorzugsweise für die Bereiche 2rund 3rverwendet, und für den Betrieb im Bereich1r ergreifen Anwender häufig zusätzliche Maßnahmen wie aufwendige elektronische Strombegrenzer bzw. elektronische Sicherungen.
Die Erfindung gestattet, wie bereits dargelegt, auch eine Regelung und Beeinflussung eines durch ein Schmelzelement vor allem für den Kurzschlußbereich3r abgesicherten Leistungskreises bei Betrieb im Überlastbereich1r sowie im Übergangsbereich2r. In Figur 14 ist deshalb das Ergebnis von Messungen bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung und eines erfindungsgemäßen elektrischen Bauelements im kritischen Überlastbereich 1r dargestellt. Die Hüllkurven H_U und H_O begrenzen das Toleranzband der Strom-Zeit-Kennlinie eines superflinken primärseitigen Schmelzelementes für IN = 1 A mit den weiteren bereits für Figur 10 genannten Kenndaten. Die gestrichelten Linien sind eine Kennlinienschar des temperaturabhängigen Widerstands des elektrischen Bauelements bzw. Schutzbauteils im Sekundärkreis. Sie geben an, in welcher Zeit ein bestimmter Widerstandwert des temperaturabhängigen Widerstands im Sekundärkreis bei gegebener Strombelastung des Schmelzelements im Primärkreis erreicht wird.
Bei einer Strombelastung des Schmelzelements oberhalb von 1,2 I/I_N ist ein Schutz in herkömmlicher Weise durch Abschmelzen des superflinken Schmelzelementes gegeben. In dem sonst nicht geschützten Bereich zwischen 0,8 und 1,2 I/I_N bietet die Auswertung der Widerstandsänderungen des NTC-Widerstands eine bisher nicht vorhandene sowie reversible Schutzmöglichkeit. Diese kann ausgedehnt werden auf den Bereich 1,2 bis etwa 1,6 I/I_N, soweit die Einstellzeiten des NTC-Widerstands kleiner sind als die Schmelzdauer des Schmelzelements.
Gemäß Figur 14 ergibt sich keine Reaktion am Schmelzelement bei einem Überstrom von 1,2 I/I_N, jedoch fallen im Sekundärkreis differenzierte Widerstandsänderungen, die in Schaltimpulse umsetzbar sind, an. Bei 1,4 I/I_N reduziert sich der Widerstandswert des NTC-Widerstandes nach 3 sec. auf 25 Kohm. Nach weiteren 2 sec. schaltet das Schmelzelement irreversibel ab, es sei denn, die Überlast wird in der verbleibenden Zeit durch die Schutzschaltung begrenzt oder vorübergehend abgeschaltet.

Claims

1. Schutzschaltung insbesondere für elektrische Geräte, die bei überstrombelastung mittels eines bis zum Durchschmelzen erwärmbaren Schmelzelementes einer Sicherung abschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzelement (2) in einem Primärkreis, der dem zu schützenden Leistungskreis entspricht, angeordnet und mit einem hiervon galvanisch getrennten, temperaturabhängigen Widerstand (7) eines Sekundärkreises thermisch derart gekoppelt ist, daß der als Steuerkreis ausgebildete Sekundärkreis bei Erreichen bestimmter Momentanwerte des temperaturabhängigen Widerstands (7) den Primärkreis abschaltet oder eine anderweitige Schutzfunktion ausübt.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine größtmögliche Konzentration des durch die thermische Kopplung zwischen dem Schmelzelement (2) und dem temperaturabhängigen Widerstand (7) verursachten Wärmeflusses auf den Bereich einer Engstelle (3) des Schmelzelementes (2) und des dieser Engstelle (3) unmittelbar gegenüberliegenden temperaturabhängigen Widerstands (7) durch Erzeugung eines Temperaturprofils längs des Schmelzelementes (2) mit einer ausgeprägten Spitze an der Engstelle (3) sowie mit stark abfallendem Verlauf außerhalb dieses Bereichs.

3. Elektrisches Bauelement für eine Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzelement (2) und der Widerstand (7) galvanisch getrennt gemeinsam an einem wärmedurchlässigen Träger (1) aus Isoliermaterial angeordnet und mit elektrischen Anschlüssen (6 bzw. 10) oder Steckkontakten (6" bzw. 10 ' ') versehen sind.

4. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzelement (2) und der Widerstand (7) an gegenüberliegenden Oberflächen des Trägers (1) aus plattenförmigem Isoliermaterial angeordnet sind und der Wärmefluß von der Engstelle (3) des Schmelzelementes (2) zum Widerstand (7) in Dickenrichtung des Trägers (1) verläuft.

5. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzelemet (2) für ein Temperaturprofil mit ausgeprägter Spitze an der Engstelle (3) im Querschnitt mehrfach abgestuft ist, nämlich zwischen zum Kontaktieren bestimmte Leiterbahnen (4) und die Engstelle (3) jeweils verjüngte Teile (4') eingefügt sind.

6. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzelement (2) und/oder eine den temperaturabhängigen Widerstand (7) enthaltende Sensorbahn (7' ' ) in Windungen an dem Träger (1) verlaufen.

7. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine engstmögliche thermische Kopplung zwischen dem Schmelzelement (2) und dem Widerstand (7) durch Trennung mittels einer hauchdünnen, wärmeleitenden Isolierschicht (11) und durch Befestigung dieser Anordnung an einem Träger (1')aus Isoliermaterial.

8. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Schichtaufbau aus dem Träger (1'), dem Widerstand (7), der Isolierschicht (11) und dem Schmelzelement (2).

9. Elektrisches Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schmelzelement (2) eine Wärmekopplung zu mehr als einem Widerstand (7) aufweist, beispielsweise auf beiden Seiten des Schmelzelementes (2) ein Widerstand (7), getrennt durch ein Dielektrikum, angeordnet ist, wobei die Charakteristik der Widerstände (7) verschieden sein kann.

10. Elektrisches Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder alle Schmelzelemente (2) und/oder Widerstände (7) sowie Leiterbahnen (8) im Siebdruckverfahren auf den Träger (1; 1') und/oder aufeinander aufgebracht sind.