DE1065514B

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Publication number: DE1065514B
Application number: DENDAT1065514D
Authority: DE
Publication date: 1959-09-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherungseinrichtung gegen unzulässig hohe Ströme mit magnetischer Selbstauslösung. Bei solchen Sicherungen kann bekanntlich wegen der unvermeidbaren Ansprech- und Schaltzeit, die nicht beliebig verkürzt werden kann, der Kurzschlußstrom außerordentlich hohe Werte annehmen, bevor die Sicherungseinrichtung auslöst, z. B. also der Selbstschalter den Stromkreis auftrennt. Die Sicherungseinrichtung muß daher diese hohen Kurzschlußströme bewältigen können und für diese ausgelegt werden. Gelingt es daher, die kurzzeitig zwischen Ansprechen und Auslösen der Sicherungseinrichtung auftretenden Überströme zu begrenzen, so wird nicht nur die abgesicherte elektrische Anlage vor den dynamischen und thermischen Auswirkungen dieser Überströme stärker geschützt, sondern es werden auch die Sicherungseinrichtungen entsprechend einfacher und billiger, bzw. es wird die Lebensdauer der Sicherungseinrichtungen entsprechend erhöht.

Durch die Erfindung gelingt es mit einfachen Mitteln, die kurzzeitigen Überstromstöße, die zwischen dem Ansprechen und dem Auslösen der Sicherungseinrichtung treten, erheblich zu verringern. Die Erfindung besteht darin, daß der Sicherungseinrichtung ein magnetfeldabhängiger Halbleiterkörper vorgeschaltet wird, der durch ein vom Auslösestrom abhängiges Magnetfeld so beeinflußt wird, daß er einen die Ansprechstromstärke für die Sicherungseinrichtung übersteigenden Strom bis zu deren selbsttätiger Auslösung begrenzt. Vorzugsweise wird der magnetische Kreis für das den Halbleiterkörper steuernde Magnetfeld durch Anordnung eines Luftspaltes oder eines magnetischen Nebenschlusses derart ausgebildet, daß eine praktisch merkliche AViderstandserhöhung des Halbleiterkörpers erst einsetzt, wenn die Stromstärke den im Normalbetrieb auftretenden Größtwert merklich, vorzugsweise um ein Vielfaches, überschreitet.

Es ist zwar durch die französische Patentschrift 1 124 933 eine Anordnung zum Fortschalten eines Kurzschlusses mit einem einfachen Leistungstrennschalter bekanntgeworden, bei der durch einen magnetfeldabhängigen Halbleiterkörper eine Verringerung des Auslösestromes eintritt. Hierbei dient jedoch der magnetisch steuerbare Halbleiterkörper unmittelbar zur Auslösung des Leistungstrennschalters bei Überlast und Kurzschluß, indem er in Reihe mit den Trennschalterkontakten geschaltet ist und in Verbindung mit einer elektrischen Kippschaltung derart unter den Einfluß des dem abzuschaltenden Strom proportionalen Magnetfeldes steht, daß sein Widerstandswert beim Erreichen eines bestimmten Stromwertes auf den Maximalwert kippt. Die dabei am Halbleiterkörper sprunghaft auftretende Spannung löst dann ihrerseits auf magnetischem Wege den Leistungs-Sicherungseinriditung
gegen unzulässig hohe Ströme
mit magnetischer Selbstauslösung

Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Wemer-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Georg Henselmeyer
und Dipl.-Phys. Rudolf Scherbaum, Regensburg,
sind als Erfinder genannt worden

trennschalter aus. Beim Erfindungsgegenstand ist aber der magnetfeldabhängige Halbleiterkörper auf die Wirkungsweise der Sicherungseinrichtung ohne Einfluß. Er dient nur dazu, die Ausschaltstromstärke derselben während der Ansprechzeit zu begrenzen,, und benötigt hierzu keine Kippanordnung. Es kann daher zur Beeinflussung des Halbleiterkörpers das gleiche Feld benutzt werden, das die Sicherungseinrichtung auslöst.

Als magnetisch steuerbare Halbleiter kommen — wie an sich bekannt ·— in erster Linie solche mit hoher Trägerbeweglichkeit in Betracht. Hierzu gehören vor allem Verbindungen aus einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium aus der Gruppe III mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon aus der Gruppe V des Periodischen Systems der Elemente. Wegen ihrer hohen über 20 000 cm²/Vsec betragenden Trägerbeweglichkeit gelten als besonders geeignet Indium-Antimonid und gegebenenfalls auch Indium-Arsenid. Ferner können auch einige Verbindungen eines der Elemente aus der Gruppe II mit einem der Elemente aus der Gruppe VI des Periodischen Systems mit entsprechend hoher Trägerbeweglichkeit Verwendung finden, z. B. Quecksilber-Tellurid und Quecksilber-Selenid.

Es ist außerdem bekannt, daß die Widerstandsänderung der vorgenannten Halbleiter im Magnetfeld nicht allein von ihrer Elektronenbeweglichkeit abhängt, sondern auch von der geometrischen Form der Halbleiterkörper und von der geometrischen Anordnung der Elektroden, und daß man den Halbleiterkörpern mög-

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liehst die Form einer Corbinoscheibe geben soll, wie es beispielsweise in »Die Naturwissenschaften«, 1955, Heft 14, S. 406 bis 410, beschrieben ist.

Als magnetisch steuerbare Halbleiter können aber in an sich bekannter Weise auch Halbleiter herangezogen werden, die den sogenannten magnetischen Sperrschichteffekt zeigen. Um brauchbare magnetische Sperrschichteffekte zu erhalten, ist zwar ebenfalls eine'hohe Elektronenbeweglichkeit erforderlich, sie muß aber nicht so hoch sein wie die Elektronenbeweglichkeit bei den erstgenannten Halbleitern mit magnetischer Widerstandsänderung. Geeignet ist z. B. eigenleitendes Germanium, das eine Elektronenbeweglichkeit von etwa 3000 cm²/Vsec hat.

Im einfachsten Falle liegen der Widerstandskörper und die das Steuermagnetfeld für diesen erzeugende Magnetspule in Reihenschaltung in dem betreffenden Stromkreis. Es ist jedoch auch möglich, daß das S teuer magnetfeld nur von einem dem zu begrenzenden Strom proportionalen Teilstrom erzeugt wird. Damit der Widerstandskörper normalerweise keinen unnötigen Widerstand im Verbraucherkreis darstellt, kann man den magnetischen Kreis für das Steuerfeld derart ausbilden, daß der Widerstandskörper im Bereich der betrieblich auftretenden Stromstärke nicht oder praktisch nicht beeinflußt wird und daß eine Widerstandserhöhung erst einsetzt, wenn die Stromstärke den im Normalbetrieb auftretenden Größtwert merklich, vorzugsweise um ein Vielfaches, überschreitet, wobei dieser Größtwert bei einem Selbstschalter etwa der Auslösestromstärke gleichgesetzt werden kann. Da bei vielen der vorgenannten halbleitenden Verbindungen der elektrische Widerstand mit der magnetischen Induktion zunächst etwa quadratisch und erst von einer gewissen Induktion ab (z. B. bei Indium-Antimonid etwa von 2000 Gauß ab) linear ansteigt und praktisch merklich wird, ist diese Bedingung relativ leicht einzuhalten. Gegebenenfalls kann ein entsprechender Luftspalt in dem magnetischen Steuerkreis vorgesehen werden oder ein magnetischer Nebenschluß, über den die Kraftlinien bei niederen ,Stromstärken geschlossen sind und der in Sättigung geht, wenn die Begrenzungsstromstärke erreicht ist.

Bei einer Widerstandserhöhung tritt in dem halbleitenden Widerstandskörper zwar eine relativ hohe Verlustenergie auf, die zu einer entsprechenden Erwärmung führt. Da aber voraussetzungsgemäß nur kurzzeitige Überstromspitzen zu begrenzen sind, die im Höchstfalle Bruchteile von Sekunden dauern, so ist die thermische Beanspruchung des Widerstandskörpers nur relativ gering. Es brauchen daher kaum besondere Vorkehrungen getroffen zu werden, um diese Verlustenergie klein zu halten, wie es z. B. in der französischen Patentschrift 1 124 933 vorgeschlagen wurde, um bei der Verwendung magnetisch steuerbarer Halbleiter-Widerstandskörper als Schalter, d. h. während des Überganges von größtem auf kleinsten Widerstand und umgekehrt, eine übermäßige Erwärmung zu vermeiden. Die auftretende Wärme hat genügend Zeit, über die Halterungseinrichtungen oder besondere Kühlfahnen und dergleichen Wärmeabfuhrmittel abzuwandern, bis wieder ein Kurzschlußstrom oder ein Kondensator-Einschaltstromstoß zu begrenzen ist. Zur Schaffung guter Wärmeableitbedingungen, die in jedem Falle zweckmäßig sind, um z. B. bei wiederholtem Draufschalten auf einen Kurzschluß eine übermäßige Erwärmung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Widerstandskörper mit gut wärmeleitenden Isolierstoffen zu haltern, z. B. in gesintertem Aluminiumoxyd od. dgl.

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An Hand einiger in der Zeichnung zum Teil schematisch dargestellter Beispiele wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert:

In Fig. 1 ist ein Stromkreis für einen Verbraucher 1 durch einen Selbstschalter 2 gegen Überströme abgesichert, der in an sich bekannter Weise gegen einen Kraftspeicher z. B. von Hand geschlossen und magnetisch durch Lösen einer Verriegelung bei Auftreten eines Überstromes geöffnet wird. Mit 3 ist das unter der Wirkung einer Feder 4 stehende Schaltstück bezeichnet, das durch eine Klinke 5 gehalten wird. Ein die Klinke 5 betätigender Anker 6 steht unter dem Einfluß der im zu sichernden Stromkreis liegenden Erregerspule 7. Der Selbstschalter 2 sei beispielsweise zur Sicherung eines Stromkreises mit einer Nennstromstärke von 6 A bestimmt. Er ist demgemäß so eingestellt bzw. ausgelegt, daß der Anker 6 angezogen wird und die Schnellauslösung des Schalters freigibt, wenn der Verbraucherstrom beispielsweise 15 A überschreitet. Bis zur Unterbrechung des Stromkreises vergeht aber bekanntlich bei jedem Schalter eine gewisse Mindestzeit von einigen Millisekunden. In dieser Zeit kann bei Vorliegen eines Kurzschlusses der Strom schon weiter auf ein Vielfaches des Nennstromes angewachsen sein, so daß das Schaltstück 3 diese hohe Kurzschlußstromstärke zu bewältigen hätte.

Um diese Kurzschlußstromstärke in der Zeit vom Auftreten des Kurzschlusses bis zum öffnen des Selbstschalters 2 zu begrenzen und diesen vor Uberbeanspruchung zu schützen, ist in Reihe zum Selbstschalter 2 ein Strombegrenzer 8 geschaltet. Dieser besteht aus einem magnetfeldabhängigen Halbleiterkörper 9 und aus einer ihm zugeordneten Magnetspule 10, die vom zu begrenzenden Strom durchflossen wird oder von einem Stromleiter, der diesem zweckmäßig proportional ist. Der magnetische Kreis ist durch Anordnung eines Luftspaltes oder eines Nebenschlusses oder durch sonstige an sich bekannte und nicht dargestellte Mittel so ausgeführt, daß eine praktisch merkliche Widerstandserhöhung des Halbleiterkörpers erst einsetzt, wenn die Stromstärke den im Normalbetrieb auftretenden Größtwert merklich, vorzugsweise um ein Vielfaches, überschreitet, im gewählten Beispiel also etwa erst bei 15 oder 20 A. Beim weiteren Anwachsen der Stromstärke bzw. des den Widerstandskörper 9 durchdringenden Flusses nimmt dann der Widerstand annähernd linear mit der Feldstärke zu, so daß der Strom begrenzt wird, bis der Selbstschalter 2 den Stromkreis unterbricht.

Der Strombegrenzer 8 kann, wie durch die strichpunktierte Umrandung angedeutet ist, als geschlossenes, vorzugsweise gekapseltes Installationsgerät ausgebildet sein, das sich in Installationsanlagen jeder Art ebenso wie der Selbstschalter 2 unterbringen und mit diesem oder sonstigen Sicherungsvorrichtungen gegen unzulässig hohe Ströme, z. B. Schmelzsicherungen und dergleichen thermisch wirkenden Unterbrechungsgliedern sowie mit Kondensatorschaltern in Reihe schalten läßt. Es kann aber auch vorteilhaft sein, den Strombegrenzer nach der Erfindung mit der elektrischen Sicherungsvorrichtung gegen unzulässig hohe Ströme in der Weise zu kombinieren, daß das Magnetfeld der Schnellauslösung oder des Blasfeldes derselben gleichzeitig das Steuerfeld für den elektrischen Widerstandskörper ist. Ein schematisches Beispiel für eine grundsätzliche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt.

In Fig. 2 ist mit 3 wieder das Schaltstück des Selbstschalters, mit 4 die Kraftspeicherfeder und mit 5 die vom Anker 6 betätigte Auslöseklinke bezeichnet,

Claims

die unter dem Einfluß der Magnetspule 7 steht. In dem von der Spule 7 erregten magnetischen Kreis liegt auch der Widerstandskörper 9 aus halbleitendem Material. Widerstandskörper 9, Spule 7 und Schaltstück 3 sind wieder in Reihe geschaltet und werden von dem zu begrenzenden Strom durchflossen. Die Wirkungsweise ist die gleiche, wie sie bereits an Hand der Fig. 1 beschrieben wurde. In Fig. 3 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel für einen Überstrombegrenzer 8 der Fig. 1 in Seitenansicht und teilweise im Schnitt und in Fig. 4 in Draufsicht dargestellt. Mit 10 und 10' ist die in zwei Spulen aufgeteilte Erregerwicklung auf den beiden Schenkeln eines Eisenkernes 11 bezeichnet, zwischen dessen Polschuhen der blättchenförmige Widerstandskörper 9 unter Zwischenfügung von isolierenden Schichten 12 und 12' untergebracht ist. Mit 13 und 13' sind die beiden Anschlußklemmen für den Widerstandskörper 9 und mit 14 und 14' die beiden Anschlußklemmen für die Erregerwicklung bezeichnet. In Fig. 5 ist ein Prinpizbeispiel für einen Selbstschalter gezeigt, dessen Magnetfeld außer der Schalterauslösung auch die Widerstandsänderung des halbleitenden Widerstandskörpers steuert und das gleichzeitig auch als Blasfeld zur Lichtbogenlöschung benutzt werden kann. In der Löschkammer 15 befinden sich die beiden Kontakte 16 und 16', die in den gestrichelt gezeichneten Verlauf des Stromes zwischen den Anschlußklemmen 17 und 17' eingefügt sind und im geschlossenen Zustand des Schalters durch ein nicht gezeichnetes Schaltstück (3 in Fig. 2) überbrückt sind. Auf der rechten Außenseite der Löschkammer befindet sich die vom zu begrenzenden bzw. abzuschaltenden Strom durchflossene Erregerspule 7 mit dem Kern 18. Diesem ist ein Anker 6 zugeordnet, der dem Anker 6 in Fig. 2 entspricht. Mit dem Kern 18 steht der magnetische Rückschluß 19 auf der linken Seite der Löschkammer 15 in magnetisch leitender Verbindung, so daß der magnetische Fluß auch den darunterliegenden Widerstandskörper 9 durchsetzt und gleichzeitig eine Blaswirkung auf den an den beiden Kontakten 16 und 16' auftretenden Schaltlichtbogen ausübt. Die sonstige Wirkungsweise dieser Einrichtung wurde bereits an Hand der Fig. 2 beschrieben. In den Beispielen sind bei den Selbstschaltern nur die Mittel für eine Schnellauslösung schematisch an- gedeutet. Die Selbstschalter können in an sich bekannter Weise auch noch mit thermischen Auslösern versehen sein und jede bekannte Bauweise haben. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Installationsselbstschalter beschränkt. Patentansprüche:

1. Sicherungseinrichtung gegen unzulässig hohe Ströme mit magnetischer Selbstauslösung, dadurch gekennzeichnet, daß ihr ein magnetfeldabhängiger Halbleiterkörper vorgeschaltet ist, der durch ein vom Auslösestrom abhängiges Magnetfeld so beeinflußt wird, daß er einen die Ansprechstromstärke für die Sicherungseinrichtung übersteigenden Strom bis zu deren selbsttätiger Auslösung begrenzt.

2. Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis für das den Halbleiterkörper steuernde Magnetfeld durch Anordnung eines Luftspaltes oder eines magnetischen Nebenschlusses derart ausgebildet ist, daß eine praktisch merkliche Widerstandserhöhung des Halbleiterkörpers erst einsetzt, wenn die Stromstärke den im Normalbetrieb auftretenden Größtwert merklich, vorzugsweise um ein Vielfaches, überschreitet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld der Schnellauslösung oder das Blasfeld derselben gleichzeitig das Steuerfeld für den Widerstandskörper ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ihren Zusammenbau zu einem geschlossenen, vorzugsweise gekapselten Installationsgerät.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 124 933;
»Die Naturwissenschaften«, Jg. 42 (1955), H. 14,

S. 406 bis 410;

Elektro-Technik (Würzburg), 1956, Nr. 52/53,

S. 444; VDI-Zeitschrift, Bd. 93 (1951), Nr. 28, S. 899
bis 903.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen