DE19850397A1 - Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neue Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung, bei der der oder die Schalter 1, 1' zur Unterbrechung des oder der Ströme in den überwachten Strompfaden 8, 8' jeweils zumindest ein Mikrorelais 3 aufweisen.

Description

Diese Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung zum Fehlerstromschutz.

Konventionelle zweipolige Fehlerstromschutzschalter ("FI-Schalter") bestehen im wesentlichen aus einer Induktionsspule zur Erfassung einer Stromasymmetrie zwischen z. B. einem Phasenleiter und einem Nulleiter einer Haushaltsstromver­ sorgung. Dabei werden die Ströme in den Leitern unter Berücksichtigung ihrer Richtung addiert. Wenn die Summe deutlich von Null verschieden ist, d. h. über einem bestimmten Schwellenwert liegt, wird ein konventioneller elektromagneti­ scher Relaisschalter ausgelöst. In diesem Fall muß nämlich davon ausgegangen werden, daß der über dem Schwellenwert liegende Fehlerstrom durch einen un­ zulässigen Kurzschluß, Erdkontakt oder Kriechstrom bedingt ist.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine neue verbesserte Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem einerseits gelöst durch eine elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit einem ersten Mikrorelaisschalter in ei­ nem ersten Strompfad und einer Auswerteeinrichtung zum Empfangen und Aus­ werten von Signalen eines den Strom durch den ersten Strompfad erfassenden ersten Stromsensors und eines einen Strom durch einen zweiten Strompfad er­ fassenden zweiten Stromsensors durch Vergleich untereinander und Öffnen des ersten Mikrorelaisschalters ansprechend auf ein Resultat der Auswertung, und andererseits durch eine elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit ei­ nem ersten Mikrorelaisschalter in einem ersten Stromkreis und einem einen Ge­ samtstrom durch den ersten Strompfad und zumindest einen zweiten benachbar­ ten Strompfad erfassenden ersten Gesamtstromsensor und einer Auswerteein­ richtung zum Empfangen und Auswerten eines Signals des ersten Gesamtstrom­ sensors und Öffnen des ersten Mikrorelaisschalters ansprechend auf ein Resultat der Auswertung.

Ausgestaltungen der Erfindung sind den verschiedenen abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung geht von der Grundidee aus, daß der Einsatz von Mikrorelaisschal­ tern in einer Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung verschiedene wesentliche Vor­ teile mit sich bringt. Ein Mikrorelais als solches ist Stand der Technik. Dabei han­ delt es sich um einen elektrisch betätigten Miniaturschalter, der jedoch im Gegen­ satz zu einem Transistor ein mechanischen Schalter mit zumindest einem beweg­ lichen Kontaktstück ist. Dabei wird die mechanische Bewegung dieses Kontakt­ stücks durch ein elektrisches Signal hervorgerufen. Für die Umsetzung kommen verschiedene Mechanismen in Frage. Bevorzugt sind hier insbesondere elek­ trostatisch betätigte Mikrorelaiszellen. Es können jedoch auch elektromagnetische Vorrichtungen verwendet werden, bei denen im allgemeinen planare Spiralspulen mit ferromagnetischen beweglichen Kontaktstücken verwendet werden. Auch pie­ zoelektrische Mikrorelais sind möglich, benötigen jedoch hohe Ansteuerspannun­ gen.

Als konkretes Beispiel für eine mögliche Technologie für eine elektrostatisch betä­ tigte Mikrorelaiszelle wird verwiesen auf ein von Siemens publiziertes Si-Mikrorelais (H. F. Schlaak, F. Arndt, J. Schimkat, M. Hanke, Proc. Micro System Technology 96, 1996, Seiten 463-468). Es wird weiterhin verwiesen auf R. Allen: "Simplified Process is Used to Make Micromachined FET-like Four-Terminal Microswitches and Microrelays" in Electronic Design, 8 July, 1996, Seite 31 sowie auf "Micromechanic Membrane Switches on Silicon" von K. E. Petersen, IBM J. RES. DEVELOP., Band 23, Nr. 4, Juli 1979, Seiten 376-385. Der Offenbarungs­ gehalt dieser und der im Folgenden zitierten Quellen ist in dieser Anmeldung mitinbegriffen.

Bei dieser Erfindung bezeichnet der Begriff Mikrorelaisschalter nun sowohl aus einem einzelnen Mikrorelais bestehende Schalteinrichtungen als auch Schaltein­ richtungen, die zwei oder mehrere Mikrorelais enthalten. Hierauf wird im Folgen­ den noch einmal Bezug genommen.

Zurückkommend auf die erwähnten Vorteile der Mikrorelaisschalter, sind zunächst erheblich schnellere Schaltzeiten im Bereich von beispielsweise 100-200 µs mög­ lich anstelle von Reaktionszeiten der konventionellen Fehlerstromschutz-Schalter von über 25 ms. Insbesondere in Anbetracht der Sicherheitsfunktion von Fehler­ stromschutz-Schalteinrichtungen ist dieser Aspekt von großer Bedeutung.

Weiterhin lassen sich die Mikrorelaisschalter im Vergleich zu konventionellen elektromagnetisch betätigten Relais mit außerordentlich geringen Bauteilgewich­ ten und -volumina realisieren. Insoweit bieten sie sich für den Einbau in techni­ sche Umgebungen an, in denen ein konventioneller Fehlerstromschutz-Schalter entweder zu einer deutlichen Erhöhung des Gewichts oder des Volumens führen würde oder grundsätzlich nicht verwendbar wäre. Ein Beispiel sind kleinere elek­ tronische Geräte, Steckverbindungen z. B. an Kabeln, Standardgehäuse für Steckverbindungsbuchsen z. B. zur Wandmontage usw.

In diesem Zusammenhang ist schließlich zu erwähnen, daß Mikrorelaisschalter infolge der dabei verwendbaren Massenherstellungstechnologien aus dem Be­ reich der Halbleitertechnik eine Großserienherstellung bei sehr geringen Stückko­ sten zulassen.

Die erste der beiden obigen Definitionen der Erfindung verwendet nun zumindest einen Mikrorelaisschalter, der ansprechend auf die Signale zumindest zweier Stromsensoren betätigt wird. Dabei erfaßt jeder Stromsensor den Strom durch einen jeweiligen Strompfad, etwa ein Kabel oder eine Leiterbahn. Die Auswerte­ einrichtung vergleicht die Signale untereinander und kann insoweit durch einen Fehlabgleich zwischen den einzelnen Signalen das Auftreten eines Fehlerstromes erfassen. Dementsprechend wird das Resultat dieser Auswertung ausschlagge­ bend für die Ansteuerung des Mikrorelaisschalters.

In der zweiten Definition der Erfindung wurde ein Gesamtstromsensor erwähnt, der den Strom durch einen ersten Strompfad zusammen mit dem Strom durch den zweiten Strompfad erfaßt. Dabei ist an einen Stromsensor gedacht, der aufgrund der räumlichen Verhältnisse die für die Fehlerstromerfassung geeignete Summe aus beiden Strömen unter Berücksichtigung ihrer Richtungen erfaßt. Beispielswei­ se können zwei Leiterbahnen als Strompfade die zu vergleichenden Ströme in einander entgegengesetzten Richtungen führen, wobei der Gesamtstromsensor den Gesamtstrom erfaßt, im Falle von Betragsgleichheit also einen Nullstrom. Dementsprechend muß das Signal des Gesamtstromsensors durch die Auswerte­ einrichtung nur noch mit einem entsprechend kleinen Schwellenwert verglichen werden, um den Mikrorelaisschalter anzusteuern.

Es ist natürlich auch möglich, daß der Gesamtstromsensor die Ströme durch die beiden (oder auch mehrere) Strompfade nicht mit der gleichen Empfindlichkeit erfaßt, sondern beispielsweise aufgrund bestimmter räumlicher Verhältnisse bei Betragsidentität der Ströme kein Nullsignal liefert. Dann kann die Auswerteein­ richtung natürlich auch dazu ausgelegt sein, das Signal des Gesamtstromsensors mit einem bestimmten Sollbereich in Beziehung zu setzen, der nicht auf den Wert Null zentriert ist.

Natürlich können die beiden Varianten der Erfindung auch in verschiedener Weise kombiniert sein.

Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutz-Schalt­ einrichtung für Dreiphasenleitungen mit Nulleiter, bei denen also ein Fehler­ strom bezüglich des Abgleichs in vier Strompfaden zu ermitteln ist. Dazu können erfindungsgemäß vier Stromsensoren jeweils für einen Strompfad vorgesehen sein, deren Signale von der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden.

Auch zusätzlich zu einem die Ströme durch zwei Strompfade messenden Ge­ samtstromsensor können ein dritter und ein vierter Stromsensor oder ein zweiter Gesamtstromsensor für den dritten und vierten Strompfad vorgesehen sein.

Die Auswerteeinrichtung ist eine vorzugsweise mikroelektronisch realisierte Schaltung, die dem Fachmann im Hinblick auf die Aufgabenstellung ohne weiteres klar ist.

Bei den Stromsensoren ist zunächst festzustellen, daß sie nicht notwendigerweise Bestandteil der erfindungsgemäßen Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung sein müssen. Dabei kann es sich ferner um konventionelle Stromsensoren, beispiels­ weise Induktionsspulen handeln. Im Hinblick auf die mit der Erfindung möglichen Vorteile betrifft die vorteilhafteste Wahl jedoch Hall-Sensoren, die als Halblei­ terelemente ebenfalls vergleichsweise klein, leicht und preiswert realisiert sein können. Insbesondere sind mit Hall-Sensoren auch sehr geringe Nachweisgren­ zen realisierbar, beispielsweise im Bereich von etwa 1 mA im Vergleich zu einer konventionellen Nachweisgrenze von etwa 10 mA oder darüber.

Bislang wurde die Erfindung in Zusammenhang mit einem Mikrorelaisschalter in einem der Strompfade beschrieben. Es können natürlich auch zwei oder mehrere Mikrorelaisschalter möglich sein, mit denen ein Teil der oder alle von der Erfas­ sung betroffenen Strompfade geschaltet werden können. Im Fall der bereits er­ wähnten Dreiphasenleitungen mit Nulleiter ist es beispielsweise von Interesse, beim Erfassen eines Fehlerstroms alle vier Pole auszuschalten. Auch im Fall einer Leitung mit einer Phase und einem Nulleiter kann es von Vorteil sein, beide Lei­ tungen unterbrechen zu können. Z. B. befreit dies von der Notwendigkeit, bei der Installation darauf zu achten, Phase und Nulleiter an keiner Stelle miteinander zu vertauschen. Vor allem im Bereich von Steckverbindungen ist dies von Vorteil, weil diese häufig symmetrisch aufgebaut und insoweit auch unter Vertauschung von Nulleiter und Phase eingesteckt werden können. Insbesondere bestehen auch Sicherheitsvorschriften für FI-Schalter, die das Abschalten aller Pole verlan­ gen.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß hier der Begriff Mikrorelaisschalter in einem allgemeinen Sinn gebraucht wird, der sowohl ein einzelnes Mikrorelais als auch eine Schalteinrichtung aus zwei oder mehreren Mikrorelais umfaßt. Damit wird Rücksicht genommen auf die Tatsache, daß Mikrorelais technologiebedingt hinsichtlich ihrer Stromtragfähigkeit und Spannungsfestigkeit gewissen Grenzen unterworfen sind. Wenn dabei die Stromtragfähigkeit oder die Spannungsfestigkeit des einzelnen ins Auge gefaßten Mikrorelais für die beabsichtigte Anwendung nicht ausreicht, so ist erfindungsgemäß vorgesehen, spannungsteilende Serien­ schaltung aus zwei oder mehreren Mikrorelaiszellen und/oder stromteilende Par­ allelschaltungen zu verwenden. Es können auch Schaltfelder im Sinne von span­ nungsteilenden Serienschaltungen von in jeder Stufe der Serienschaltung strom­ teilend wirkende Parallelschaltungen verwendet werden. Zu diesem Aspekt wird verwiesen auf die am 9.10.1998 hinterlegte Voranmeldung "Neue elektrische Schalteinrichtung" derselben Anmelderin mit dem Aktenzeichen 198 46 639.0, de­ ren Offenbarungsgehalt hier in begriffen ist.

Es sind jedoch zum Anmeldezeitpunkt dieser Erfindung technologische Tenden­ zen zur Ausführung einzelner Mikrorelais mit recht hohen Spannungs- und Strom­ verträglichkeiten bekannt. Weitere Verbesserungen in der Zukunft sind demzufol­ ge absehbar. Beispielsweise beschäftigt sich ein Forschungsprojekt des Herstel­ lers Bosch zusammen mit der Universität Bremen mit der Entwicklung von Mikro­ relais mit 24 V maximaler Schaltspannung und 25 A maximalem Schaltstrom. Aus den genannten Zahlenwerten ist zu erkennen, daß insbesondere mit einer ausrei­ chenden Stromtragfähigkeit der Mikrorelais für viele Anwendungen beispielsweise bei Haushaltsstromnetzen zu rechnen ist. Dann genügt eine entsprechende Seri­ enschaltung für die Anpassung an die jeweilige Spannungsvorgabe.

Es ist insbesondere von Vorteil, unterschiedliche Mikrorelaisschalter bei einer festliegenden Standardtechnologie und einer dementsprechend unveränderten Standardmikrorelaiszelle in unterschiedlichen Größen der Parallelschaltung, Seri­ enschaltung oder des Schaltfeldes herzustellen. Dazu muß lediglich die Geome­ trie des Layouts verändert werden, beispielsweise durch Austausch des Masken­ satzes. Im übrigen wird das Herstellungsverfahren praktisch nicht verändert. Hier­ durch ergeben sich bei weitgehender Erhaltung der Kostenvorteile einer Großse­ rienproduktion Möglichkeiten zur Abdeckung eines großen Bereichs verschieden­ ster elektrischer Spezifikationen. Dies gilt im übrigen sowohl für den Fall einzelner Mikrorelaisschalter als auch in integrierter Kombination mit anderen elektroni­ schen Einrichtungen.

Der bereits erwähnte Vorteil der sehr schnellen Ansprechgeschwindigkeit der ein­ zelnen Mikrorelaiszellen geht bei einer Verschaltung mehrerer Mikrorelaiszellen vorteilhafterweise ohne Skalierung unmittelbar in den gesamten Mikrorelaisschal­ ter ein. Somit lassen sich auch bei großen Spezifikationswerten außerordentlich schnell ansprechende Fehlerstromschutz-Schalteinrichtungen realisieren. Ver­ gleichbare konventionelle Fehlerstromschutz-Schalter sind durch die Trägheit der bewegten Massen demgegenüber erheblich beschränkt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einer Doppelfunktion der Auswerteeinrichtung, die der erfindungsgemäßen Fehlerstromschutz-Schaltein­ richtung zu einer Zweitfunktion als Überstromschutz-Schalteinrichtung verhilft. Dabei ist die Erfindung ein Äquivalent zu einem konventionellen elektromagneti­ schen Schütz. Dazu vergleicht die Auswerteeinrichtung die Signale der Stromsen­ soren mit einem einen Überstrom definierenden Schwellenwert und öffnet den oder die betroffenen Mikrorelaisschalter ansprechend auf das Resultat dieses Vergleichs. Auch hierzu wird der Offenbarungsgehalt der bereits zitierten Voran­ meldung "Neue elektrische Schalteinrichtung" im Bezug genommen.

Die Erfindung kann in verschiedenen Integrationsvarianten realisiert sein. Zum einen können der oder die Mikrorelaisschalter, die Auswerteeinrichtung und gege­ benenfalls auch die Hall-Sensoren jeweils als Halbleiterchips ausgeführt sein, die gemeinsam auf einer Platine montiert sind. Hier zeigt die Erfindung bereits we­ sentliche Vorteile, weil durch die der Halbleitertechnologie verwandte Bauform der Mikrorelaisschalter für die beteiligten Komponenten dieselbe Montagetechnologie oder zumindest sehr ähnliche Montagetechnologien bei kleiner Baugröße und ge­ ringem Gewicht verwendet werden können. In diesem Zusammenhang ist insbe­ sondere darauf hinzuweisen, daß Hall-Sensoren ebenfalls auf einem Chip, etwa auf einem Siliziumchip, oder auch einem anderen Substratmaterial ausgeführt sein können. Als Beispiel für eine sehr der Mikroelektronik verwandte Bauform wird verwiesen auf "Cylindrical Hall Device" von H. Blanchard, L. Chiesi, R. Racz und R. S. Popovic, Proceedings IEDM 96, Seiten 541-544, IEEE 1996.

Die Erfindung eignet sich jedoch auch sehr gut dazu, verschiedene Bauteile auf einem Chip miteinander zu kombinieren. Beispielsweise können die Auswerteein­ richtung und die Mikrorelaisschalter integriert ausgeführt sein. Bei einer geeigne­ ten Technologie der Hall-Sensoren können auch diese mitintegriert sein. Anderer­ seits kann es sinnvoll sein, nur die Auswerteeinrichtung und die Hall-Sensoren zu integrieren, während die Mikrorelaisschalter als separater Chip oder separate Chips ausgeführt sind. Dies erlaubt die Kombination eines Standardbauteils für die Auswerteeinrichtung und die Hall-Sensoren mit verschiedenen Abstufungen für unterschiedliche elektrische Auslegungen der Mikrorelaisschalter hinsichtlich ihrer Strom- und Spannungsbelastung. Auch die Integration weiterer elektroni­ scher Bauteile, z. B. von Temperatursensoren für eine temperaturgesteuerte Auslesung der Mikrorelaisschalter, von Zeitgeberschaltungen usw. ist möglich.

Integriert werden könne ferner auch Vorrichtungen zur Anzeige des Ansprechens der Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung auf einen Fehlerstrom (oder auch auf einen Überstrom oder eine erhöhte Temperatur) in optischer oder akustischer Weise.

Im Folgenden wird anhand der Figuren ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Dabei offenbarte Merkmale können auch einzeln oder in anderen als den dargestellten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Fig. 1 zeigt ein schematisiertes Schaltungsdiagramm eines Mikrorelaisschalters einer erfindungsgemäßen Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung, und

Fig. 2 zeigt die vollständige Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit zwei Mikro­ relaisschaltern gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen aus 17 seriell geschalteten Stufen 2 mit jeweils 45 parallel ge­ schalteten Mikrorelaiszellen 3 bestehenden Mikrorelaisschalter 1. Jede Mikrore­ laiszelle 3 entspricht technologisch dem bereits erwähnten Siemens-Silizium­ mikrorelais und ist mit jeweils einer Mikrorelaiszelle 3 der vorhergehenden und einer der nachfolgenden Stufe 2 elektrisch verbunden. Bei der letzten und bei der ersten der Stufen 2 sind die Anschlüsse zu jeweils der äußeren Seite zusammen­ geführt und an einen gemeinsamen Anschluß des Mikrorelaisschalters 1 gelegt.

Man erkennt weiterhin in einer stark schematisierten Darstellung ein bewegliches Kontaktstück 4, das hier einer elektrostatisch verbiegbaren bzw. auslenkbaren Federzunge entspricht. Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ist, daß all diese bewegbaren Kontaktstücke 4 synchron arbeiten, d. h. von einem einzigen gemeinsamen Signal geöffnet und geschlossen werden, insoweit wie Teile eines gemeinsam aufgebauten einheitlichen Schalters wirken.

Jede einzelne Mikrorelaiszelle 3 kann eine Spannung von etwa 24 V unterbre­ chen, so daß sich für den Mikrorelaisschalter 1 eine abschaltbare Spannung von 400 V ergibt. Dies ist ein für viele Anwendungen günstiger Wert, bevorzugt sind insbesondere Werte über 200 bzw. 300 V.

Der schaltbare Laststrom für jede Mikrorelaiszelle 3 beträgt etwa 200 mA und er­ gibt damit einen Gesamtstrom von 9 A für den Mikrorelaisschalter 1.

Dieser Mikrorelaisschalter 1 benötigt eine Gesamtaktivierungsleistung von nur 5 mW und zeigt im leitenden Zustand eine Verlustleistung in der Größenordnung von 0,6-6 W. Der letztgenannte Wert läßt sich jedoch durch eine weitere Verbes­ serung der Kontakte und eventuell eine Erhöhung der Schließkraft der Mikrore­ laiszellen weiter senken. Insbesondere in Anbetracht der außerordentlich niedri­ gen Aktivierungsleistung besteht bei der Schließkraft erkennbar Spielraum.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung von einzelnen Mikrorelaiszellen 3 bildet ins­ gesamt einen Mikrorelaisschalter 1 im Sinne der Erfindung. Hierbei ist wesentlich, daß der Mikrorelaisschalter 1 einheitlich geöffnet und geschlossen wird, d. h. alle beweglichen Kontaktstücke 4 der einzelnen Mikrorelaiszellen 3 gleichzeitig geöff­ net bzw. geschlossen werden. Daher verhält sich das Schaltfeld aus den Mikro­ relaiszellen 3 wie ein einheitlicher Schalter 1.

Fig. 2 zeigt zwei der in Fig. 1 dargestellten Mikrorelaisschalter 1 in einer erfin­ dungsgemäßen Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung. Dabei ist der erste Mikro­ relaisschalter mit der Bezugsziffer 1 und der zweite Mikrorelaisschalter, der iden­ tisch aufgebaut ist, mit der Bezugsziffer 1' bezeichnet. Der erste Mikrorelais­ schalter 1 und der zweite Mikrorelaisschalter 1' sind jeweils in einen ersten Strompfad 8 bzw. einen zweiten Strompfad 8' geschaltet, wobei die beiden Strompfade 8, 8' von zwei im oberen Bereich der Fig. 2 erkennbaren Leitungen abgezweigt sind und im unteren Bereich der Fig. 2 zu einem Verbraucher wei­ terführen. Dabei entspricht beispielsweise der erste Strompfad 8 einer Phasenlei­ tung und der zweite Strompfad 8' dem zugehörigen Nulleiter. Eine Erdleitung ist nicht eingezeichnet, weil sie für die Erfindung keine Rolle spielt.

Die beiden Mikrorelaisschalter 1, 1', genauer gesagt ihre jeweiligen Kontaktstücke 4, sind angesteuert über eine Ansteuerleitung 9. Diese Ansteuerleitung 9 ist für beide Mikrorelaisschalter 1, 1' identisch, weil die Mikrorelaisschalter 1, 1' gemein­ sam und zeitgleich geschaltet werden. Lediglich wegen der galvanischen Tren­ nung zwischen dem phasenführenden ersten Strompfad 8 und dem zweiten Nulleiterstrompfad 8' sind zwei getrennte Mikrorelaisschalter 1, 1' vorgesehen. Es könnte also auch durchaus ein gemeinsamer Mikrorelaisschalter verwendet wer­ den, wenn er galvanisch getrennte Anschlüsse für die Strompfade aufweist, die in Bezug aufeinander eine ausreichende Spannungsfestigkeit zeigen.

Die gemeinsame Ansteuerleitung 9 führt zu einer Auswerteeinrichtung 7, die im Hinblick auf ihre Funktion zwei Teile 7a und 7b aufweist. Beide Teile 7a und 7b der Auswerteeinrichtung 7 sind versorgt mit einem jeweiligen Ausgangssignal ei­ nes ersten Hall-Sensors 5 und eines zweiten Hall-Sensors 5'. Dabei erfaßt der erste Hall-Sensor 5 den Strom durch den ersten Strompfad 8 und der Hall-Sensor 5' den Strom durch den zweiten Strompfad 8'. (Jeder der Hall-Sensoren 5, 5' be­ nötigt eine Ansteuerleistung von etwa 60 bis 360 mW). Der Teil 7a der Auswerte­ einrichtung 7 ermittelt aus den Signalen der Hall-Sensoren 5, 5' die Summe aus den Strömen durch die Strompfade 8, 8' unter Berücksichtigung ihrer Richtung, also die Differenz der Beträge. Liegt diese Summe bzw. Differenz über einem re­ lativ klein bemessenen Schwellenwert von etwa 5 mA, so gibt der Teil 7a der Auswerteeinrichtung 7 ein Ansteuersignal über die Ansteuerleitung 9 aus, das die beiden Mikrorelaisschalter 1, 1' innerhalb von etwa 150 µs nach der Erfassung des Fehlerstroms, d. h. der übermäßigen Stromsumme bzw. -differenz öffnet. Damit sind beide Strompfade 8, 8' unterbrochen, und der aufgrund des Fehler­ stroms zu vermutende Defekt in dem von den Strompfaden 8, 8' versorgten Ver­ braucher kann behoben werden.

Andererseits überwacht der Teil 7b der Auswerteeinrichtung 7 die Signale der Hall-Sensoren 5, 5' jeweils für sich, d. h. vergleicht die erfaßten Stromgrößen ein­ zeln mit einem Schwellenwert, der den maximal zulässigen Strom in den Strom­ pfaden darstellt. Tritt ein Oberstrom auf, also wird der Schwellenwert überschrit­ ten, so sorgt der Teil 7b der Auswerteeinrichtung 7 in gleicher Weise für eine so­ fortige Öffnung der Mikrorelaisschalter 1 und 1'.

Damit besitzt die erfindungsgemäße Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung gleich­ zeitig die Funktion einer Überstromschutz-Schalteinrichtung. Es ist klar, daß hier­ zu die gleichen Mikrorelaisschalter 1, 1', Hall-Sensoren 5, 5' und die gleiche An­ steuerleitung 9 verwendet werden können. Darüber hinaus ist die Darstellung der Auswerteeinrichtung 7 als aus zwei Teilen 7a und 7b bestehend nur auf die Funk­ tion der Auswerteinrichtung 7 bezogen. Es können innerhalb der Auswerteein­ richtung 7 für die beiden Funktionen 7a und 7b zu großen Teilen die gleichen Schaltungseinheiten verwendet werden, also beispielsweise die gleichen Ein­ gangsstufen für die Signale der Hall-Sensoren 5, 5', die gleiche Ansteuerstufe für die Mikrorelaisschalter 1, 1' usw. Der Unterschied zwischen den beiden Teilen besteht nur in der Signalverarbeitung selbst, d. h. zwischen dem Vergleich zwi­ schen zwei Stromsignalen mit einer durch den Fehlerstromschwellenwert vorge­ gebenen Toleranz einerseits und dem Vergleich des jeweiligen einzelnen Strom­ signals mit dem Überstromschwellenwert andererseits.

Die Auswerteeinrichtung 7 ist als integrierte Si-Analogschaltung ausgeführt. Die Hall-Sensoren 5, 5' sind entsprechend der bereits zitierten Veröffentlichung "Cy­ lindrical Hall Device" auf einem Si-Substrat ausgeführt. Bei der hier in Fig. 2 dar­ gestellten Variante sind darüber hinaus die Auswerteeinrichtung 7, die Hall-Sen­ soren 5, 5' und die beiden Mikrorelaisschalter 1, 1' auf demselben einheitli­ chen Si-Chip 6 integriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht die erfin­ dungsgemäße Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung also einem einzigen Si-Chip 6, der mit einem geeigneten Gehäuse mit entsprechenden Anschlüssen für eine konventionelle Haushaltsstromleitung versehen ist, der die beiden Strompfade 8, 8' außerhalb des Gehäuses entsprechen. Das Gehäuse ist in Fig. 2 nur symbo­ lisch mit dem Rahmen 10 dargestellt und kann beispielsweise einem konventio­ nellen Steckverbindungsgehäuse entsprechen.

Claims (16)

1. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit einem ersten Mikrore­ laisschalter (1) in einem ersten Strompfad (8) und einer Auswerteeinrich­ tung (7) zum Empfangen und Auswerten von Signalen eines den Strom durch den ersten Strompfad (8) erfassenden ersten Stromsensors (5) und eines einen Strom durch einen zweiten Strompfad (8') erfassenden zweiten Stromsensors (5') durch Vergleich untereinander und Öffnen des ersten Mikrorelaisschalters (1) ansprechend auf ein Resultat der Auswertung.

2. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Auswerteeinrichtung (7) zum Empfangen und Auswerten von Signalen des ersten und des zweiten Stromsensors (5, 5') sowie eines einen Strom durch einen dritten Strompfad erfassenden dritten Stromsensors und eines einen Strom durch einen vierten Strompfad erfassenden vierten Stromsen­ sors ausgelegt ist.

3. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Stromsensoren (5, 5') Teil der Schalteinrichtung und durch Hall-Sensoren gebildet sind.

4. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit einem ersten Mikrore­ laisschalter (1) in einem ersten Strompfad (8) und einem einen Ge­ samtstrom durch den ersten Strompfad und zumindest einen zweiten be­ nachbarten Strompfad erfassenden ersten Gesamtstromsensor und einer Auswerteeinrichtung zum Empfangen und Auswerten eines Signals des er­ sten Gesamtstromsensors und Öffnen des ersten Mikrorelaisschalters (1) ansprechend auf ein Resultat des Vergleichs.

5. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 4 mit ei­ nem zweiten und einem dritten Stromsensor oder mit einem zweiten Ge­ samtstromsensor zum Erfassen der Ströme bzw. des Gesamtstromes durch einen dritten und einen vierten Strompfad, wobei die Auswerteein­ richtung ausgelegt ist zum Empfangen und Auswerten von Signalen des ersten Gesamtstromsensors und des zweiten und des dritten Stromsensors bzw. des zweiten Gesamtstromsensors.

6. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorste­ henden Ansprüche mit einem zweiten Mikrorelaisschalter (1') in dem zwei­ ten Strompfad (8'), bei der die Auswerteeinrichtung (7) auch den zweiten Mikrorelaisschalter (1') ansprechend auf das Resultat der Auswertung öff­ net.

7. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 6 in Ver­ bindung mit einem der Ansprüche 2, 3, 5 mit zumindest einem dritten Mi­ krorelaisschalter in zumindest dem dritten Strompfad, bei der die Auswer­ teeinrichtung auch zumindest den dritten Mikrorelaisschalter ansprechend auf das Resultat der Auswertung öffnet.

8. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, auch in Verbindung mit Anspruch 6 oder 7, bei der der oder die Stromsen­ soren (5, 5') bzw. Gesamtstromsensoren durch Hall-Sensoren gebildet sind.

9. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorste­ henden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1, 1') jeweils eine spannungsteilend wirkende Serienschaltung von Mikrorelaiszellen (3) aufweisen.

10. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorste­ henden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1, 1') jeweils eine stromteilend wirkende Parallelschaltung von Mikrorelaiszellen (3) auf­ weisen.

11. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorste­ henden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1, 1') jeweils zumindest ein Mikrorelais (3) mit einem in elektrostatischer Weise mecha­ nisch bewegten Kontaktstück (4) aufweisen.

12. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorste­ henden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (7) die Signale des oder der Stromsensoren (5, 5') bzw. der Gesamtstromsensoren ferner je­ weils mit einem Überstromschwellenwert vergleicht und den oder die Mikro­ relaisschalter (1, 1') ansprechend auf das Resultat dieses Vergleichs öffnet.

13. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorste­ henden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter, die Auswerte­ einrichtung und gegebenenfalls die Hall-Sensoren jeweils als Chips auf ei­ ner Platine integriert sind.

14. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorste­ henden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1, 1') und die Auswerteeinrichtung (7) auf einem Chip (6) integriert sind.

15. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 3 oder 8, auch in Verbindung mit einem der Ansprüche 9-13, bei der die Auswerte­ einrichtung (7) und die Hall-Sensoren (5, 5') auf einem Chip (6) integriert sind.

16. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 3 oder 8, auch in Verbindung mit einem der Ansprüche 9-13, bei der der oder die Mi­ krorelaisschalter (1, 1'), die Auswerteeinrichtung (7) und die Hall-Sensoren (5, 5') auf einem Chip (6) integriert sind.