DE19809149A1 - Sicherung, insbesondere für die Kraftfahrzeugtechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherung, insbesondere für die Kraftfahrzeugtechnik.

Auf diesem technischen Gebiet finden derzeit im Wesentlichen Schmelzsiche­ rungen Verwendung, die bei Überschreiten des Nennstroms die Stromversorgung zu einem oder mehreren nachgeschalteten Verbrauchern durch das Schmelzen eines Schmelzbereichs unterbrechen.

Diese Sicherungen erfordern jedoch für eine relativ lange Zeit eine hohe Strom­ stärke, die wesentlich über dem Nennstrom der Sicherung liegt. Demzufolge müssen nachfolgende Kabel entsprechend überdimensioniert sein, um einen Ka­ belbrand und damit eine Gefährdung des KFZ zu vermeiden.

Zudem entsteht bei Schmelzsicherungen ein Lichtbogen, der sich störend aus­ wirken kann. Auch erfordert das Schmelzen eine Abschirmung der Sicherung, um zu vermeiden, daß Tröpfchen geschmolzenen Metalls störende Wirkungen hervorrufen.

Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Sicherung, insbesondere für die Kraftfahrzeugtechnik, zu schaffen, bei welcher praktisch keine Überdimensionierung der nachgeschal­ teten Kabel erforderlich ist und bei welcher ein störender Lichtbogen bei der Unterbrechung des Stroms vermieden wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Durch das Verwenden einer Verbindung zwischen dem eigentlichen Sicherungs­ element und wenigstens zwei Kontaktelementen, welche bei Überschreiten einer entsprechenden Temperatur (die wesentlich unter der Schmelztemperatur der Materialien liegt), z. B. bedingt durch das Überschreiten des Nennstroms der Sicherung, erweicht und auf diese Weise das Sicherungselement von den Kon­ taktelementen gelöst wird, ergibt sich der Vorteil einer wesentlich geringerer Wärmemenge, die für das Auslösen der Sicherung erforderlich ist. Mit anderen Worten, die Sicherung reagiert bereits auf geringere Leistungsüberschreitungen im Vergleich zum Normalbetrieb. Nachteile von Schmelzprozessen bei hohen Temperaturen werden vermieden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Verbindung zwi­ schen dem Sicherungselement und den Kontaktelementen durch Verlöten herge­ stellt. Auf diese Weise wird bereits beim Schmelzen des Lots, welches bei­ spielsweise bei Temperaturen von ca. 180° erfolgt, eine Unterbrechung des Stroms durch das Lösen des Sicherungselements von den Kontaktelementen erreicht. Die Gefahr des Entstehens eines Lichtbogens, welche bei bekannten Schmelzsicherungen durch das Auftreten der hohen Schmelztemperaturen geför­ dert wird, ist praktisch nicht gegeben.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das eigentliche Sicherungsele­ ment derart mit der Kraft eines federnden Elements beaufschlagt, daß unabhän­ gig von der Lage der Sicherung bei einem Schmelzen bzw. Erweichen der Ver­ bindung zwischen dem Sicherungselement und den Kontaktelementen das Siche­ rungselement von den Kontaktelementen abgehoben wird.

Um bei einem bestimmten bzw. unterschiedlichen Nennstrom eine Unterbre­ chung des Stromflusses zum Verbraucher zu erreichen, kann die Sicherung mit einer zusätzlichen Heizung ausgestallet sein. Die Beheizung erfolgt dabei insbe­ sondere so, daß die unmittelbare Umgebung der Verbindungen zwischen dem Sicherungselement und dem Kontaktelementen beheizt wird.

In bevorzugter Weise erfolgt das Beheizen durch das Erzeugen eines zusätzlichen Stroms über das Sicherungselement bzw. eines oder mehrerer Kontaktelemente. Dieser für die Beheizung genutzte Strom wird dem den nachgeschalteten Ver­ brauchern zugeführten Strom überlagert.

Zur Erzeugung dieses zusätzlichen Stroms kann der Verbraucher so dimensio­ niert werden, daß es bei einer direkten Verbindung mit der Batterie über die Sicherung theoretisch zu einem unzulässig hohen Strom käme. Der "überschüs­ sige" Strom kann dann über einen Widerstand abgeführt werden, welcher mit einem Anschlußkontakt bzw. dem Sicherungselement verbunden ist. Das Abfüh­ ren erfolgt vorzugsweise gegen Masse. Der Wert des Widerstands, über welchen der zusätzliche Heizstrom fließt, bestimmt die Temperatur der Verbindungen zwischen dem Sicherungselement und den Kontaktelementen im normalen Be­ trieb. Demzufolge kann durch diesen Widerstandswert der Nennstrom der Siche­ rung festgelegt werden.

Das Beheizen kann auch in der Weise erfolgen, daß die Temperatur der Verbin­ dungen bzw. der Kontaktelemente oder des Sicherungselements erfaßt wird und in einer geschlossenen Regelschleife konstant gehalten wird. Anstelle dessen kann auch die Umgebungstemperatur erfaßt werden und im Sinne einer Steue­ rung die Beheizung abhängig von der Umgebungstemperatur durchgeführt wer­ den. Hierdurch ergibt sich ein von der Umgebungstemperatur unabhängiger Nennstrom der Sicherung.

Die Sicherung kann auch so ausgestaltet sein, daß der Widerstandswert zwi­ schen den Anschlußkontakten der Sicherung, welcher im Wesentlichen durch das Sicherungselement und/oder die Kontaktelemente bestimmt ist, als Shunt zur Erfassung des Stroms zu einem oder mehreren nachgeschalteten Verbrauchern verwendbar ist. Hierzu müssen diese Elemente und die Verbindungen den ge­ wünschten Widerstandswert aufweisen.

In einem Gesamtsystem zur Absicherung der Verbraucher kann dann der Span­ nungsabfall erfaßt, hieraus der zum Verbraucher fließende Strom bestimmt und bei Überschreiten eines Schwellenstroms ein aktives Unterbrechungselement zur Unterbrechung des Stroms zum Verbraucher angesteuert werden.

Die Sicherung kann dabei so ausgebildet sein, daß ein steuerbarer Schalter, bei­ spielsweise ein Relais oder dergleichen, mit einem Kontaktelement oder dem Sicherungselement verbunden ist und im Fall des Detektierens eines Überschrei­ tens des Schwellenstroms so angesteuert werden, daß der Strom zu einem we­ sentlichen Teil oder vollständig, vorzugsweise gegen Masse, abgeführt wird.

Bei dieser Ausführungsform ist zum einen gewährleistet, daß der detektierte unzulässig hohe Strom zum Verbraucher teilweise oder vollständig auf Null reduziert wird und zum anderen entsteht ein hoher Strom über die Sicherung, welcher seinerseits zu einem Auslösen der Sicherung führt. Auf diese Weise wird eine sehr reaktionsschnelle Sicherung geschaffen, die zudem (im Allgemeinen zeitlich verzögert) eine irreversible Trennung des Verbrauchers von der Strom­ quelle gewährleistet.

Anstelle dieser ansteuerbaren elektrischen Auslöseheizung kann auch ein selbst­ auslösendes oder ansteuerbares Heizelement anderer Art verwendet werden. Dies kann z. B. ein auf einer exothermen chemischen Reaktion beruhendes Heizele­ ment sein, das entweder mittels eines z. B. elektrischen Signals aktivierbar ist oder ab einer vorbestimmten Temperatur die exotherme Reaktion auslöst. Bei­ spielsweise kann das Heizelement in unmittelbarer Nähe der Verbindungen zwi­ schen den Kontaktelementen und dem Sicherungselement vorgesehen werden, so daß bei Überschreitung des Nennstroms der Sicherung, was zu erhöhten Tempe­ ratur führt, die Schwellentemperatur des Auslöseheizelements überschritten und das Heizen ausgelöst wird. Hierdurch kann bereit bei einer relativ geringen Über­ schreitung des Nennstroms ein sehr rasches Auslösen der Sicherung erreicht werden.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Sicherung nach der Erfindung und;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Sicherung in Fig. 1, erweitert um eine zusätzliche elektrische Beheizung und eine aktive Unterbrechungsein­ richtung.

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Sicherung mit einer aktivierbaren Auslöseheizung.

Die in Fig. 1 dargestellte Sicherung 1 besteht im Wesentlichen aus einem elek­ trisch nicht leitenden Träger 3, auf welchem zwei elektrische Kontaktelemente 5 angeordnet sind. Die elektrischen Kontaktelemente 5 sind über ein Sicherungs­ element 7 verbunden. Die Verbindung der Kontaktelemente 5 mit dem Sicherungs­ element 7 kann vorzugsweise durch Löten in Kontaktbereichen 9 erfolgen. Das Lot zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Kontaktelemen­ ten 5 und den Sicherungselementen 7 in den Kontaktbereichen 9 kann abhängig von den Materialien für die Kontaktelemente 5 und das Sicherungselement 7 in geeigneter Weise gewählt werden. Zudem kann das Lot so gewählt werden, daß der Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt bei einer vorbestimmten Temperatur er­ reicht wird.

Es hat sich gezeigt, daß sich im normalen Betrieb beispielsweise eine Tempera­ tur der Kontaktelemente bzw. des Sicherungselements von ca. 80° ergibt. Bei üblichen Loten beträgt die Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur ca. 180°. Wird der dem Verbraucher über die Sicherung 1 zugeführte Strom I_a größer als ein vorbestimmter Wert, so steigt die Temperatur schließlich bis auf die Temperatur des Erweichungs- bzw. Schmelzpunkts an, wodurch der Kontakt zwischen dem Sicherungselement 7 und den Kontaktelementen 5 und damit der Stromfluß der Verbraucher unterbrochen wird.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird das Sicherungselement 7 an seiner den Kontaktelementen 5 zugewandten Seite von einem federnden Ele­ ment 11, beispielsweise einer Schraubenfeder, beaufschlagt, das sich mit dem anderen Ende gegen die ihm zugewandte Seite des Trägers 3 abstützt. Durch eine Vorspannung des federnden Elements 11 kann erreicht werden, daß nach Errei­ chen des Erweichungs- bzw. Schmelzpunkts des Lots das Sicherungselement 7 sicher und dauerhaft von den Kontaktelementen 5 abgehoben wird. Selbstver­ ständlich kann die Sicherung 1 ein nicht näher dargestelltes Gehäuse umfassen, so daß das Sicherungselement 7 nach einem Auslösen der Sicherung gegen eine Innenwandung des Gehäuses gedrückt und in dieser Position fixiert werden kann.

Anstelle des Verlötens der Kontaktelemente 9 mit dem Sicherungselement 7 können selbstverständlich auch andere Verbindungen gewählt werden, die ab­ hängig von der Temperatur der Elemente bzw. der Verbindung bei Überschreiten eines Schwellwertes ein Lösen der Verbindung gewährleisten.

Fig. 2 zeigt die Sicherung in Fig. 1, wobei diese zusätzlich beheizt wird.

Für eine Beheizung kann selbstverständlich jede beliebige Wärmequelle, bei­ spielsweise eine externe Widerstandsheizung oder eine auf einer exothermen chemischen Reaktion beruhende Heizung verwendet werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde jedoch die einfache und kostengünstig realisierbare Heizung mittels eines zusätzlichen Stroms über die Sicherung 1 gewählt. Hierzu ist mit dem ausgangsseitigen Kontaktelement 5 ein Widerstand 13 verbunden, der einen bestimmten Strom I_h gegen Maße ab­ führt. Dieser zusätzliche Heizstrom I_h, welcher zusätzlich zudem zum Verbrau­ cher geführten Strom I_a über die Sicherung 1 geführt wird, bewirkt eine zusätzli­ cher Erwärmung der Kontaktelemente 5 bzw. des Sicherungselements 7 und der Kontaktbereiche 9. Der Wert des Widerstands 13 ist so gewählt, daß die Span­ nung der nicht näher dargestellten Batterie, welche an dem eingangsseitigen Kontaktelement 5 anliegt, nicht oder nur unwesentlich beeinflußt wird, so daß auch an der Ausgangsseite der Sicherung ohne Belastung durch einen Verbrau­ cher praktisch die Leerlaufspannung der Batterie zur Verfügung steht.

Des Weiteren wird der Widerstand 13 seinem Wert nach so gewählt, daß sich ein Heizstrom I_h ergibt, der im normalen Betriebsfall zu einer vorbestimmten Temperatur der Kontaktelemente 5 bzw. des Sicherungselement 7 und damit der Kontaktbereiche 9 führt. Je näher diese Temperatur am Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt des Lots bzw. des Verbindungsmittels liegt, um so geringer wird der Nennstrom der Sicherung 1. Auf diese Weise ist es allein durch die Wahl des Widerstands 13 möglich, mit ein und derselben Sicherung verschiedene Nenn­ ströme zu realisieren. Zudem besteht die Möglichkeit, den Widerstand veränder­ bar oder steuerbar zu gestalten, so daß abhängig von bestimmten Gegebenheiten der Nennstrom der Sicherung 1 verändert werden kann.

Bei dem in Fig. 2 dargestelltem Ausführungsbeispiel ist dem Widerstand 13 die Reihenschaltung eines steuerbaren Schalters 15 und eines Widerstands 17 paral­ lel geschaltet. Der Widerstand 17 kann gegebenenfalls auch entfallen, wenn die elektrischen Verbindungen zwischen dem betreffenden Kontaktelement 5 und der Maße bzw. der Aufbau des steuerbaren Schalters 15 einen Kurzschlußstrom zulassen bzw. der steuerbare Schalter bereits einen entsprechenden Innenwider­ stand aufweist.

Der steuerbare Schalter 15 ist von einer Auswerte- und Steuereinheit 19 ansteu­ erbar. Die Auswerte- und Steuereinheit 19 ist mit entsprechenden Eingängen mit den Kontaktelementen 5 verbunden, so daß auf diese Weise der Spannungsabfall über die Sicherung 1 ermittelt werden kann. Ist die Sicherung so ausgebildet, daß sie durch eine geeignete Wahl der Materialien und Geometrie der Kontak­ telemente 5 des Sicherungselements 7 sowie der Verbindungen in den Bereichen 9 einen für einen Shunt geeigneten Widerstandswert aufweist, so kann aus dem über die Sicherung 1 detektierten Spannungsabfall der zum Verbraucher fließen­ de Strom I_a ermittelt werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß der Strom I_a am Ausgang der Sicherung 1 durch die Spannungsmessung praktisch nicht verfälscht wird.

Die Auswerte- und Steuereinheit 19 ist so ausgebildet, daß diese ständig oder in vorbestimmten Zeitintervalen den zum Verbraucher fließenden Strom I_a ermittelt und bei Überschreiten einer vorbestimmten Schwelle den steuerbaren Schalter 15 in den geschlossenen Zustand steuert. Sofort nach Schließen des Schalters 15 wird der als unzulässig hoch dediktierte Strom I_a drastisch, jedenfalls auf einen Wert unterhalb des Schwellwerts, reduziert. Durch die Wahl des Widerstands 17 derart, daß durch den über den Schalter 15 fließenden Auslöse-Heizstrom I_ha die Sicherung soweit beheizt wird, daß es zu einem Auslösen kommt, ergibt sich der Vorteil, daß der Verbrauch sicher und dauerhaft von der Stromquelle getrennt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist somit gewährleistet, daß sofort nach einem Überschreiten eines Schwellwerts für den Strom I_a dieser Strom drastisch reduziert und dadurch der Verbraucher praktisch von der Stromquelle getrennt wird und daß nach einer gewissen Zeit ein mechanisches irreversibles Unterbre­ chen der elektrischen Leitung zwischen Stromquelle und Verbraucher erfolgt. Auf diese Weise müssen die Kabel zwischen dem Ausgang der Sicherung 1 und den nachgeschalteten Verbrauchern nicht mehr, wie bisher, bei üblichen Schmelzsicherungen erforderlich, entsprechend überdimensioniert werden.

Selbstverständlich kann die in Fig. 2 dargestellte Möglichkeit der Verwendung eines steuerbaren Schalters auch dann realisiert werden, wenn keine zusätzliche Heizung der Sicherung im Normalbetrieb über einen Widerstand 13 vorgesehen ist.

Zusätzlich kann auch im Strompfad zum Verbraucher ein steuerbarer Schalter vorgesehen sein, der den Strom nach dem Detektieren eines unzulässig hohen Wertes unterbricht. Dies kann sich beispielsweise dann als notwendig heraus­ stellen, wenn der Verbraucher eine sehr geinge Impedanz aufweist, so daß bei einem Schließen des Schalters zur Erzeugung des Auslöse-Heizstroms der Strom zum Verbraucher nicht auf einen zulässigen (minimalen) Wert reduziert wird.

Das Vorsehen eines steuerbaren Schalters am Strompfad zum Verbraucher bietet sich auch in Fällen an, in denen eine externe Heizung für das Trennen des Siche­ rungselements von den Kontaktelementen nach einem Detektieren eines unzuläs­ sig hohen Stroms zum Verbraucher aktiviert wird.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist keine zusätzliche Heizung für das Erreichen einer vorbestimmten Temperatur im Normalbetrieb vorgesehen.

In Ausnehmungen in den Kontaktelementen 5 sind in unmittelbarer Nahe der Kontakt- oder Verbindungsbereiche 9 Auslöseheizelemente 21 vorgesehen. Die­ se sind von der Auswerte- und Steuereinheit 19 ansteuerbar, insbesondere wenn die Auswerte- und Steuereinheit 19 einen unzulässig hohen Strom I_a über die Sicherung detektiert. Damit kann ein rasches Auslösen der Sicherung gewährlei­ stet werden, auch wenn der Übergangswiderstand der Kontaktbereiche 9 und damit die hierdurch zugeführte thermische Verlustleistung relativ gering ist.

Des Weiteren können die Auslöseheizelemente 21 auch selbstauslösend ausge­ bildet sein. Beispielsweise können Stoffe verwendet werden, die bei Überschrei­ ten einer vorbestimmten Auslösetemperatur eine exotherem Reaktion in Gang setzen, wodurch rasch die erforderliche Wärmemenge für das Auslösen der Si­ cherung 1 zugeführt wird.

Im Gegensatz zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 3 jedoch nicht unmittelbar nach einem Ansteuern der Auslö­ seheizelemente 21 eine Unterbrechung bzw. Reduzierung des Stroms I_a gewähr­ leistet, da erst die erforderliche Wärmemenge für das Auslösen der Sicherung erzeugt werden muß.

Claims (13)

1. Sicherung, insbesondere für die Kraftfahrzeugtechnik, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß ein Sicherungselement (7) mit wenigstens zwei Kontaktelemen­ ten (5) verbunden ist und
• b) daß die Verbindung so ausgestaltet ist, daß bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur der elektrische Kontakt zwischen dem Si­ cherungselement (7) und den wenigstens zwei Kontaktelementen (5) getrennt wird.

2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbin­ dung so beschaffen ist, daß sie einen vorbestimmten elektrischen Über­ gangswiderstand aufweist, der zu einer Erwärmung der Verbindung abhän­ gig von der über die Sicherung fließenden Stromstärke führt.

3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch Verlöten des Sicherungselements (7) mit den Kontakte­ lementen (5) hergestellt ist.

4. Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sicherungselement (7) mit der Kraft eines federnden Elements (11) beaufschlagt ist und die Kraft in einer die Kontaktelemente (5) und das Sicherungselement (7) trennenden Richtung wirkt.

5. Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktelemente (5) und/oder das Sicherungselement (7) zusätzlich beheizbar sind, vorzugsweise in unmittelbarer Umgebung der Verbindungsbereiche (9).

6. Sicherung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Beheizen durch das Erzeugen eines zusätzlichen Stroms (I_h) über das Siche­ rungselement (7) und/oder die Kontaktelemente (5) erfolgt.

7. Sicherung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der wenigstens zwei Kontaktelemente (5) oder das Sicherungsele­ ment (7) mit einem Widerstand (13) verbunden ist, über welchen der zu­ sätzliche Heizstrom (I_h), vorzugsweise gegen Masse, abfließt.

8. Sicherung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Sicherungen mit einem vorbestimmten Nennstrom das zusätzliche Beheizen derart erfolgt, daß die Verbindungen zwischen den Kontaktelementen (5) und dem Sicherungselement (7) eine entspre­ chende vorbestimmte Temperatur annehmen.

9. Sicherung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Beheizen zur Erreichung einer von der Umgebungstemperatur unabhängi­ gen Temperatur der Verbindungen zwischen den Kontaktelementen (5) und dem Sicherungselement (7) gesteuert oder geregelt erfolgt.

10. Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sicherungselement (7) und/oder die Kontaktelemente (5) so hinsichtlich des Widerstandswertes so ausgestaltet sind, daß sie gleich­ zeitig als Shunt zur Erfassung des Stromes zu einem oder mehreren nachge­ schalteten Verbrauchern verwendbar sind.

11. Sicherung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder meh­ rere steuerbare Schalter (15) vorgesehen sind, welche nach erfolgter An­ steuerung vor einem thermischen Lösen der Verbindung zwischen den Kontaktelementen (5) und dem Sicherungselement (7) den über die Siche­ rung (1) zum Verbraucher fließenden Strom (I_a) reduzieren oder unterbre­ chen.

12. Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein selbsttätig auslösendes oder ansteuerbares Auslöseheiz­ element vorgesehen ist, welches nach einem Auslösen oder einem Ansteuern die Verbindungen zwischen dem Sicherungselement (7) und den Kontakte­ lementen (5) so stark erwärmen, daß diese gelöst wird.

13. Sicherung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslöse­ heizelement als elektrisch beheizbares Element oder ein mittels einer exo­ thermen chemischen Reaktion beheizbares Element, vorgesehen ist.