DE19852115A1 - Elektrische Sicherung mit Schmelzleiter - Google Patents

Abstract

Eine elektrische Sicherung zum Absichern elektrischer Schaltkreise weist einen ersten elektrisch leitenden Teil (1) mit einem Schmelzleiterbereich (10) zum Abschalten des durch die Sicherung fließenden Stromes auf. DOLLAR A Damit Umgebungsbedingungen, die nicht zwangsläufig von dem durch die Sicherung fließenden Strom abhängen, einen bestimmten und gewünschten Einfluß auf das Schaltverhalten der Sicherung bekommen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in Serie zu dem Schmelzleiterbereich (10) eine Sperrschicht (2) aus Halbleitermaterial geschaltet und auf der dem ersten elektrisch leitenden Teil (1) gegenüberliegenden Seite der Sperrschicht (2) mit einem zweiten elektrisch leitenden Teil (3) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherung zum Absichern elektrischer Schaltkreise mit mindestens einem ersten elektrisch leitenden Teil mit einem Schmelzleiterbereich zum Abschalten des durch die Sicherung fließenden Stromes. Elektrische Sicherungen dieser Art sind in der Technik allgemein bekannt. Sie arbeiten nach dem physikalischen Abschmelzprinzip. Bei einem elektrischen Fehler in dem abzusichernden elektrischen Schaltkreis kommt es zu Überströmen, die in der Schmelzsicherung das Material erwärmen. Bei einem Fehler in dem Schaltkreis erhöht sich der Stromfluß, der wiederum das Material der Schmelzsicherung, welches häufig in einer Engstelle angeordnet ist, erwärmt, bis das Material schmilzt und der Stromkreis unterbrochen wird. Die Sicherung hat dann ausgelöst bzw. geschaltet. Für erneute Aufnahme des elektrischen Betriebes muß diese Sicherung ausgewechselt werden.

Die Schaltzeiten der bekannten Schmelzsicherung sind durch Strom-Zeit-Kennlinien festgelegt. Bei einem Vielfachen des Nennstromes, des sogenannten Arbeitsstromes im ungestörten Zustand, zum Beispiel bei dem Zweifachen oder dem Dreifachen des Nennstrornes, sind nach DIN Schaltzeitbereiche definiert. Die Sicherung reagiert also in bestimmter Zeit auf den durch den Schmelzleiter fließenden Strom. Andere Einflüsse der Umgebung oder anderer Aggregate, zum Beispiel die Temperatur, Feuchtigkeit usw., können auf das Verhaften der Sicherung nur unkontrolliert oder nicht einwirken.

In der Automobilindustrie werden zur Absicherung elektrischer Schaltkreise Schmelzsicherun­ gen der vorstehend genannten Art eingesetzt. Einflüsse der Umgebung können und sollen in einem Automobil von einer Sicherung berücksichtigt werden. Dieses Ziel ist mit den herkömmlichen Sicherungen jedoch nicht erreichbar.

In Automobilen zeigen sich gewisse Defekte in elektrischen Schaltkreisen durch das Auftreten eines geringen Überstromes. Dieser fließt zwar durch die herkömmliche Schmelzsicherung, schaltet diese aber nach der Strom-Zeit-Kennlinie nicht oder erst nach sehr langer Zeit ab. Der Stromkreis ist also nicht einwandfrei abgesichert.

Außerdem erkennt man eine geschaltete Sicherung nur an der Funktionsuntüchtigkeit des dazugehörigen Schaltkreises. Nach dem Schalten der Sicherung muß diese für die Wiederauf­ nahme des normalen Betriebes nach Behebung eines Fehlers ausgewechselt werden. Das Schalten der herkömmlichen Schmelzsicherung ist also nicht reversibel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte elektrische Sicherung mit dem Schmelzleiterbereich so weiter zu verbessern, daß Umgebungsbedingungen, die nicht zwangsläufig von dem durch die Sicherung fließenden Strom abhängen, einen bestimmten und gewünschten Einfluß auf das Schaltverhalten der Sicherung bekommen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in Serie zu dem Schmelzleiterbe­ reich eine Sperrschicht aus Halbleitermaterial geschaltet und auf der dem ersten elektrisch leitenden Teil elektrisch gegenüberliegenden Seite der Sperrschicht mit einem zweiten elektrischen Teil verbunden ist. Die neue Sperrschicht ist also zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Teil angeordnet. Der an dem einen Ende des ersten elektrisch leitenden Teiles eintretende Strom fließt durch den Schmelzleiterbereich, dann durch die Sperrschicht und verläßt die neue Sicherung durch das der Sperrschicht gegenüberliegende zweite elektrisch leitende Teil. Abgesehen von den physikalischen Eigenschaften des Schmelzleiterbereiches kommt es also auf das Verhalten der Sperrschicht an, ob der elektrische Strom ungehindert durch die Sicherung fließen kann. Das bedeutet, daß ausgesuchte physikalische Eigenschaften der Umgebung die Sperrschicht beeinflussen, gegebenenfalls ihren Widerstand erhöhen bis zum Sperrzustand. Die Sicherung verhält sich dann, als ob sie geschaltet hätte, obwohl diese Zustandsänderung reversibel ist.

So ist es zum Beispiel möglich, daß eine Erwärmung der Sperrschicht auf definierte Temperaturniveaus die Sperrschicht nichtleitend macht. Dieser Zustand kann durch Erniedrigung der Temperatur reversibel wieder so umgekehrt werden, daß die Sperrschicht in den leitenden Zustand zurückkehrt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann man die Sperrschicht auch so ausgestalten, daß ab einer bestimmten Temperatur die Sperrschicht, zum Beispiel durch steigende Ver­ lustleistung, zerstört wird. Der Abschaltvorgang einer solchen Sicherung wäre dann irreversibel.

Bei entsprechend ausgewählten Sperrschichten können schon geringe Überströme den Widerstand der Sperrschicht derart erhöhen, daß die Sicherung schaltet. Dies erfolgt in kürzerer Schaltzeit. Dadurch kann mit Vorteil nach einer definierten Schaltzeit der Stromkreis unterbrochen werden, ohne daß zur Wiederaufnahme des normalen Betriebes die Sicherung ausgetauscht werden müßte.

Im Automobil wächst ständig die Anzahl der Bauteile, die auf bestimmte Umgebungs­ bedingungen reagieren können, zum Beispiel auf die Temperatur. Durch die Erhöhung des Widerstandes der Sperrschicht bei steigenden Temperaturen können diese direkten Einfluß auf den durch die Sicherung fließenden Strom haben, ohne daß die herkömmliche Funktion der Sicherung mit dem Schmelzleiter aktiviert werden müßte.

Diese neuen Anwendungsmöglichkeiten der elektrischen Sicherung gemäß der Erfindung erlauben mithin eine Einflußnahme von Umgebungsbedingungen auf den durch die Sicherung fließenden Strom. So können also auch schon kleinere Überströme zu einem Schalten der Sicherung führen. Gleichzeitig wird das Verhalten bei Kurzschlußstrom gegenüber herkömm­ lichen Sicherungen nicht verschlechtert, denn es bleibt immer der eine elektrisch leitende Teil mit dem Schmelzleiterbereich erhalten, zum Beispiel eine Engstelle.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn erfindungsgemäß das erste und/oder das zweite elektrisch leitende Teil mit einem Schmelzleiterbereich versehen ist/sind. Mit anderen Worten kann entweder das erste oder das zweite elektrisch leitende Teil einen Schmelzleiter aufweisen, oder es können in jedem der beiden elektrisch leitenden Teile Schmelzleiter, zum Beispiel Engstellen, vorgesehen sein. Alle Vorteile herkömmlicher Schmelzsicherungen bleiben also auch bei der elektrischen Sicherung gemäß der Erfindung voll erhalten.

Besonders günstig ist gemäß der Erfindung, wenn die Sperrschicht einen Steuerkontakt aufweist. Während es je nach Auswahl und Aufbau der Sperrschicht möglich ist, ohne eine Ansteuerung von außen eine physikalische Größe der Umgebung auf die Sperrschicht Einfluß ausüben zu lassen, so daß der Widerstand der Sperrschicht zunimmt oder abnimmt, bis im Extremfall die Sicherung zum Beispiel schaltet, kann man aber an die Sperrschicht außen auch einen Steuerkoritakt anlegen und Signale aufbringen, um die Sperrschicht zu beeinflussen.

Die Sperrschicht kann durch Halbleiterschichtzusammensetzungen, wie zum Beispiel in MOSFETs, Transistoren, Thyristoren usw. vorhanden sind, realisiert werden.

Die beiden elektrisch leitenden Teile werden bevorzugt mit der Sperrschicht durch Schweißen, zum Beispiel Ultraschallschweißen, Kleben, Druckfügen, Löten, Krimpen oder anderen an sich bekannte Verbindungsarten verbunden. Durch diese Befestigungsarten hat das eine oder andere elektrisch leitende Teil ein erstes Potential, gegenüber welchem der an der Sperrschicht angebrachte Steuerkontakt ein anderes Potential bekommt, um auf diese Weise die Sperrschicht zu beeinflussen. Der Fachmann weiß, an welchem Punkt der Sperrschicht oder in welchem Bereich ein solcher Steuerkontakt aufgebracht werden kann.

Die an diesen Kontakt angelegte Steuerspannung zur Beeinflussung des Widerstandes der Sperrschicht kann einer Steuerschaltung entnommen werden, welche von einem Sensor aufgenommene Signale verarbeitet. Man kann die verschiedensten physikalischen Größen des betreffenden Anwendungsgebietes der neuen Sicherung durch Sensoren erfassen und in elektrische Signale verarbeiten, welche dann ausgangsseitig mit dem Steuerkontakt an der Sperrschicht verbunden werden. Mit solchen Sensoren kann man viele Umgebungs­ bedingungen abfühlen, zum Beispiel die Temperatur, die Feuchtigkeit, das Vorhandensein oder Druck oder Strömungsgeschwindigkeit von Gasen usw. Man kann auch andere elektronische Schaltkreise auf diese Weise überwachen, weil bereits kleinere Überströme für das Schalten der elektrischen Sicherung gemäß der Erfindung ausreichen.

Wenn bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an dem Steuerkontakt ein Anzeigegerät angeschlossen ist, dient die elektrische Sicherung mit der neuen Sperrschicht zusätzlich einem Informationsaustausch. Zum Beispiel kann mit dem Steuerkontakt eine Auswerteeinheit, ein Anzeigegerät oder dergleichen verbunden werden, so daß der Zustand der Sicherung leicht erkennbar wird. Gerade bei den reversiblen Änderungen der neuen Sicherung durch Beeinflussung der neuen Sperrschicht kann es für den Benutzer von Interesse sein, fortlaufend oder häufig von dem Zustand der Sicherung informiert zu sein.

Mit der erfindungsgemäßen Sicherung hat man die herkömmliche Schmelzsicherungs­ technologie mit Schmelzleiter mit an sich bekannter elektronischer Bauteiltechnonolgie, was die Herstellung von Sperrschichten betrifft, so kombiniert, daß man jetzt eine neue Sicherungstechnologie bekommt. Über den Steuerkontakt oder über andere physikalische Größen kann man die neue elektrische Sicherung so beeinflussen, daß sie eine leitende oder sperrende Verbindung herstellt. Abgesehen von der herkömmlichen Funktion des Schmelzlei­ ters wird durch die neue Sperrschicht diesbezüglich ein reversibles Schalten der Sicherung ermöglicht.

Es ist gemäß der Erfindung weiterhin vorteilhaft, wenn elektrisch parallel zu der Sperrschicht eine Sprengschicht zwischen den zwei elektrisch leitenden Teilen angeschlossen ist. Zum Beispiel kann man sowohl die Sperrschicht als auch die Sprengschicht in dichtem Abstand nebeneinander auf gleicher Höhe zwischen den zwei elektrisch leitenden Teilen durch die oben beschriebenen Befestigungsarten anbringen. Die explosive Sprengschicht kann erfindungs­ gemäß von außen ebenfalls angesteuert werden und ein irreversibles Schalten der Sicherung ermöglichen. Durch ein Steuersignal kann die Sprengschicht mit der daneben angeordneten Sperrschicht irreversibel zerstört werden. Vor Inbetriebnahme der Schaltungen muß die Sicherung dann ausgewechselt werden. Das Sprengen der Schicht kann man zum Beispiel von einem festgelegten Überstrom abhängig machen.

Im Falle der Parallelschaltung von Sperrschicht zu Sprengschicht ist die Sprengschicht elektrisch nichtleitend. Alternativ kann erfindungsgemäß aber auch vorgesehen sein, daß elektrisch in Serie zu der Sperrschicht eine Sprengschicht zwischen den zwei elektrisch leitenden Teilen angeschlossen ist. In diesem Falle ist die Sprengschicht elektrisch leitend. Ihr Zustand wird durch das betreffende Auslösesignal und die Sprengung von selbst geändert, die Sicherung schaltet.

Die neue Sicherungstechnologie erlaubt die Kombination mit einer elektronischen Schalterfunk­ tion. Dadurch eröffnen sich neue Anwendungsbeispiele, zum Beispiel das Powermanagement. Bei diesem wird die erfindungsgemäße Sicherung als Schalter benutzt. Beispielsweise können zwei Verbraucher durch zugeordnete Sicherungen gemäß der Erfindung jeweils ein- bzw. ausgeschaltet werden.

Obwohl die neue Sicherung gemäß der Erfindung im Kurzschlußfall wie eine herkömmliche Sicherung schaltet, wobei dann ein Auswechseln der Sicherung notwendig wäre, kann die neue Sicherung aber auch in einem Überstromfall geregelt werden, zum Beispiel durch einen separaten Stromanschluß, und dann bei Bedarf sperren. Die Strom-Zeit-Kennlinie kann so beeinflußt werden, daß das Schalten bei unterschiedlichen Nennströmen zu unterschiedlicher Zeit erfolgt. Ohne ein Schmelzen an der Engstelle, also bei Schalten der neuen Sicherung durch die separate Ansteuerung kann die Sicherung reversibel von dem geschalteten in den nicht­ geschalteten Zustand und zurück gewechselt werden. Ein Auswechseln der Sicherung ist dann nicht mehr notwendig.

Ein irreversibles Schalten kann erfolgen, wenn die Sperrschicht so stark belastet wird, daß durch die Verlustleistung ab einer bestimmten Stromstärke die Sperrschicht zerstört und damit nichtleitend wird.

Als Sprengelement kann man bei einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ein Thermoele­ ment verwenden, welches bei hohem Stromdurchfluß aufplatzt und einen Sprengeffekt hat. Alternativ kann man auch eine Chemikalie einsetzen, die beim Durchfluß eines bestimmten Stromes oder Erreichen einer bestimmten Temperatur die angeschlossenen Kontakte sprengt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgendem Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. Bei diesen zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf die großflächige Seite der neuen Sicherung, deren erstes elektrisch leitendes Teil in der oberen Hälfte und das zweite in der unteren Hälfte zu erkennen sind,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine ähnliche Schnittansicht wie Fig. 2, wobei jedoch hier eine andere Ausführungsform gezeigt ist, bei welcher neben der Sperrschicht auch eine Sprengschicht angebracht ist, und

Fig. 4 eine Strom-Zeit-Kennlinie einmal für die herkömmliche Sicherung (gestrichelt) und zum anderen für die neue Sicherung mit der Sperrschicht (durchgezogene Linie).

Ein allgemein mit 1 bezeichnetes erstes elektrisch leitendes Teil ist gemäß den Ausführungen nach den Fig. 1 und 2 über eine Sperrschicht 2 mit einem allgemein mit 3 bezeichneten zweiten elektrisch leitenden Teil verbunden. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist neben der Sperrschicht 2 eine Sprengschicht 4 durch Löten angebracht und in Serie geschaltet, weshalb diese Sprengschicht 4 in leitendem Zustand ist.

Die Sperrschicht 2 befindet sich in dem Überlappungsbereich 5 der beiden elektrisch leitenden Teile 1 und 3.

Jedes elektrisch leitende Teil 1 oder 2 weist bezüglich der strichpunktierten Mittellinie 6 oder Mitte der Sicherung außen einen Anschlußkontakt 7 auf, der durch Stecken, Schrauben, Krimpen oder dergleichen einen Anschluß an die betreffende elektrische Schaltung ermöglicht. Dieser Anschlußkontakt 7 gilt sowohl für das obere elektrisch leitende Teil 1 als auch für das untere Teil 3. Der Anschlußkontakt 7 ist hier ein Steckloch in einer in Draufsicht rechteckigen Platte 8, die wie das ganze elektrisch leitende Teil 1 bzw. 3 aus einem Kupferblech besteht. Die Ausnehmung 9 bietet eine Kontur zum Anbringen eines Kunststoffgehäuses, welches zugleich auch der Stabilisierung der Sicherung dient. Das nicht dargestellte Kunststoffgehäuse erstreckt auch über den als Engstelle dargestellten Schmelzleiterbereich 10, der ohne Gehäuse eine mechanische Schwachstelle der länglichen Sicherung darstellen würde.

Auf der einen Seite der Sperrschicht 2 befindet sich also der erste elektrisch leitende Teil 1, und auf der gegenüberliegenden Seite der Sperrschicht 2 befindet sich der zweite leitende Teil 3. Spricht man von der "elektrisch gegenüberliegenden Seite", dann soll dies bedeuten, daß das zweite elektrisch leitende Teil 3 nicht nur wie bei der hier dargestellten Ausführungsform auf der ebenen flachen Seite jeweils gegenüber angebracht ist, sondern die beiden Teile können an irgendeiner Seite der Sperrschicht 2 irgendwie so angeordnet sein, daß der Strom von dem einen Teil 1 aber nur über die Sperrschicht 2 zu dem anderen Teil 3 fließen kann.

Aus den Fig. 1 bis 3 erkennt man den Steuerkontakt 11, welcher an der Sperrschicht 2 so angebracht ist, daß eine gegenüber dem elektrisch leitenden Teil 1 oder 3 angelegte Steuerspannung die Leitfähigkeit der Sperrschicht 2 zu beeinflussen erlaubt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist flächig auf die Sperrschicht 2 eine Sprengschicht 4 aufgebracht, die somit zwischen der Sperrschicht 2 und dem zweiten elektrisch leitenden Teil 3 angebracht und elektrisch angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform zeigt der Anschluß 12 eine Ansteuermöglichkeit, um die explosive Sprengschicht 4 so zünden zu können, daß dadurch die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten elektrisch leitenden Teil 1 und 3 im Aktivierungsfalle zerstört wird.

Fig. 4 zeigt die Strom-Zeit-Kennlinie, bei welcher über dem Nennstrom I_n, die Zeit t aufgetragen ist. Die gestrichelte Linie stellt die Kennlinie bei herkömmlichen Schmelzsicherun­ gen bzw. bei dem klassischen Teil (ohne Sperrschicht und ohne Sprengschicht) der erfindungsgemäßen Sicherung dar. Man erkennt, daß mit zunehmendem Nennstrom die Schaltzeit kürzer wird.

Durch die Anordnung der Sperrschicht 2 ist es möglich, ab einem bestimmten Nennstrom I_n0 die Schaltzeit abrupt und drastisch zu verringern. Das bedeutet im Funktionsfalle, daß ein Überstrom, welcher den Wert I_n0 erreicht, die Sperrung der Schicht 2 bewirkt, wodurch die Sicherung schaltet.

Claims (6)

1. Elektrische Sicherung zum Absichern elektrischer Schaltkreise mit mindestens einem ersten elektrisch leitenden Teil (1) mit einem Schmelzleiterbereich (10) zum Abschalten des durch die Sicherung fließenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu dem Schmelzleiterbereich (10) eine Sperrschicht (2) aus Halbleitermaterial geschaltet und auf der dem ersten elektrisch leitenden Teil (1) gegenüberliegenden Seite der Sperr­ schicht (2) mit einem zweiten elektrisch leitenden Teil (3) verbunden ist.

2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das zweite elektrisch leitende Teil (1, 3) mit einem Schmelzleiterbereich (10) versehen ist/sind.

3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (2) einen Steuerkontakt (11) aufweist.

4. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Steuerkontakt (11) ein Anzeigegerät angeschlossen ist.

5. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch parallel zu der Sperrschicht (2) eine Sprengschicht (4) zwischen den zwei elektrisch leitenden Teilen (1, 3) angeschlossen ist.

6. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch in Serie zu der Sperrschicht (2) eine Sprengschicht (4) zwischen den zwei elektrisch leitenden Teilen (1, 3) angeschlossen ist.