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Elektrogerät mit Schutzschalter
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrogerät, wie z.B. einen
tragbaren Haartrockner, einen Rasierapparat oder dergl-eichen mit einem Schutzschalter,
der den Gerätebenutzer vor einem elektrischen Schlag schützen kann.
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Eine besondere Gefahr bei der Benutzung von Elektrogeräten tritt dann
auf, wenn ein solches Gerät mit Wasser in Berührung; kommt. So kann es z.B. in einem
Bad zu einem tödlichen elektrischen Unfall kommen, wenn etwa ein Haartrockner, auch
wenn er sich nicht gerade in Betrieb befindet, i.n eine Badewanne fäl lt.
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Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Schaltungen
bekannt, di.e einen elektrischen Schlag verhindern oder zumindest zeitlich begrenzen
können.
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Solche Vorrichtungen enthalten meistens einen Differenzstromtransformator,
der darüber wacht, daß die Strcmunsymnetrie i.n einer Starkstromleitung einen bestimmten
Grenzwert z.B. 30 mA nicht übersteigt.
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Diese Vorrichtungen haben den grundsätzl ichen Nachteil, erst anzusprechen,
wenn der elektrische Unfall bereits erfolgt ist. Zudem sprechen si.e nur an, wenn
der el ektri si erende Strom über eine Erdverbindung fließt. Elektrische Unfälle,
bei denen die Stromqymmetri.e der elektrischen Leitungen erhalten bleibt, z.B. dann,
wenn die el.ektriesierte Person von Erde isoli-ert ist, werden von Geräten di.eser
Art nicht registriert. Ein weiterer grundsätzlicher Nachteil der Di.fferenzstromtransformatoren
i.st ihre Ansprechverzögerung, die typi.scherweise bei 2 Netzperioden liegt.
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Es wurde auch vorgeschlagen, über die Netzleitungen eines Elektrogerätes
einen Triac zu schalten, dessen drei Elektroden i.m Inneren des Gerätes frei zugängl.ich
sind. Bei einem Ei.ntauchen des Gerätes ins Wasser erhitzt die Zündelektrode je
nach Einbauverhal-tni ssen und und Phasenlage des Netzes einen Zündstrom von Erde
oder einer der Hauptelektroden her, so daß der Triac zünden und die Netzlei.tungen
kurzschließen kann. Dabei löst die Netzsicherung aus und schaltet das Gerät spannungsfrei.
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Das Verfahren verstößt jedoch gegen internationale Richtlinien, die
einen gewollten Kurzschluß zur Geräteabschaltung nicht gestatten.
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Zur einwandfreien Funktion der Einrichtung mußten eine korrekte
Hausinstal.latLon
und -absicherung sowie eine hinreichend niedrige Netzurpedanz vorausgesetzt werden.
Auch gibt es 220V-Netze mit zwei abgesicherten Außenleitem, von denen in der Regel
nur einer durch Ansprechen einer Sicherung abgeschaltet würde. In jedem Falle läuft
di.e Abschaltung zeitgleich mit dem Unfall ab, d.h. die El.ektrisierung wird zeitlich
je nach den Netzeigenschaften begrenzt, jedoch nicht ganz verhindert; denn eine
direkte Verbindung Wasser-Netz ist Voraussetzung für das Einleiten des Kurzschlusses.
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Eine andere Schutzschaltung ist aus der D.T.2 71 05 57 Al bekannt.
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Sie beruht auf einer Messung der elektrischen Impedanz des menschlichen
Körpers gegen Masse bzw. gegen einen Außenleiter des Netzes.
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Die Anwendung dieser Schaltung setzt voraus, daß das zu schützende
Gerät eine e] ektrisch 1 eitende Kontaktfläche, z.B. am Handgri.ff aufweist. Diese
Kontaktfläche ist über elektronische Bauel.emente mit Netzspannung verbunden, sodaß
beim Versagen di.eser Bauelemente eine zusätzliche Gefährdung nicht ausgeschlossen
ist.
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Ferner setzt diese Schaltung vor;aus, daß das Gerät in bestimmter,
a].so nicht vertauschbarer Weise mit dem Netz verbunden wird. Da die meisten Steckverbindungen,
wie etwa der Europastecker, keine ei.ndeutige Zuordnung von Außenleiter und Nulleiter
vorsehen, ergibt sich die dem Benutzer unzurtbare Forderung, die richtige Netzverbinung
durch Probieren herzustel.len.
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Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß die Schutzfunktion
auch bei einer zu niedrigen Impedanz gegen Masse anspricht, also bei einem Betriebszustand,
der bei einem Gerät der Schutzkasse II keinerlei Gefahr für den Benutzer bedeutet.
Darüberhinaus versagt diese Schutzschaltung voll ständig, wenn ein damit ausge -stattetes
Gerät bei einer falsch gepolten Verbindung mit dem Netz, wie eingangs als typische
Unfallursache genannt, mit Wasser in Bewahrung kommt.
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In diesem Falle wäre das Gerät zwar nicht fnnktionsberei t, ein el.ektrischer
Schlag würde dennoch auftreten, da in diesem Falle der Nut leiter abgeschaltet würde.
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In der DPA 32 08 147,2 ist vorgeschlagen worden, eine elektrische
Doppelleitung als Sensor für eingedrungenes Wasser so zu verlegen,
daß
eine Schutzabschaltung einleitbar ist, bevor mit dem Netz direkt verbundene Teile
von einer zusammenhängenden Wassermenge berührt werden können. Als Abschaltelement
i.st ein seibstöffnender mechanischer Schalter angegeben, der mittels eines dünnen
Drahtes in geschlossener Stellung gehalten ist. Durch ein Signal von der Doppelleitung
ist ein Triac zündbar, der den Draht an das Netz schaltet und zum Schmel -zen bringt,
so daß der Schalter sich öffnen kann.
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Ein Nachteil besteht darin, daß der Schmel.zdraht di.rekt aus der
geringen Quell.impedanz des Netzes gespeist wird, so daß der Strom bei Erreichen
des Schmelzintegrales 12t bereits einen hohen Wert angenommen haben kann. Dieser
Strom addiert si.ch zum Verbraucherstrom; der mechanische Schalter muß also einen
retativ großen Gesamtstrom abschalten können.
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Das macht den Schalter aufwendig oder erfordert eine zusätzliche Schmelzsicherung
zur Unterstützung (Lichtbogenlöschung) des Schalters.
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Ausgehend von der DPA 3208147,2 besteht di.e Aufgabe al.so darin,
einen nen Schutzschalter abzugeben, der das Netz bei Eintreffen eines Signal es
von einem Sensor für Wasser möglichst rasch al lpolig abschalten kann, ohne das
Netz kurzschlußartig zu belasten oder den abzuschaltenden Strom im Augenblick des
Ansprechens wesentlich zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, daß ein seibstöffnender
mechanischer Schalter mittels einer schmelzbaren Substanz an einem elektrischen
Widerstandselement in geschlossener Stellung festgehalten ist, das elektrische Widerstandselement
mittels eines Ha3.bl.eiterschalters durch Anschließen an das Netz heizbar ist, so
daß der Schalter öffnen kann, sobald durch ein Signal des Sensors fur Wasser der
Haibleiterschalter gezündet ist und das elektrische Widerstandselement die Schmelztemperatur
der schmelzbaren Substanz erreicht hat.
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In einer vorteil.haften Ausbildung besteht der Schutzschalter aus
2 auf einer Leiterplatte befesti.gten und an den freien Enden durch ein isolierendes
Joch miteinander verbundenen Federbügeln, aus einem auf der Lei terplatte befestigten
el ektri schen Widerstandselement, an das das Joch mittels einer schmelzbaren Substanz
angeheftet ist und 2 Kontaktstiften, die i.n di.eser Stellung mit je einem FederbG-ge]
einen elektrischen Kontakt herstellen.
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Die Verbindung des Joches mit dem Widerstqndselement ist zweckmEßig
durch
Verklebung mit einem schmelzbaren Klebstoff hergestellt.
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Es ist auch möglich, diese Verbindung des Joches mit dem Widerstandselement
mittels eines schmelzbaren Fadens oder Bandes herzustellen.
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Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Fig.l zeigt beispielhaft den Aufbau eines Schutzschalters im Maßstab
6 : 1.
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Auf einer Leiterplatte 1 sind zwei Federbügel 2 und 3 eingelötet,
sowie zwei. Kontaktstifte 4 und 5 und ein Widerstandselement 6. Die Federbügel,
die hier die Form von Blattfedern ausweisen, sind so eingelötet bzw. gebogen, daß
sie eine Ruhestellung einnehmen können, in der ein Kontakt zwischen diesen und den
Kontaktstiften nicht besteht.
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Im Betriebszustand sind die Federbügel. herabgebogen, so daß sie mit
Vorspannung auf den Kontaktstiften aufliegen. An ihrem freien Ende sind die Federbügel
mittels eines isolierenden Joches 7 miteinander verbunden und an dem Widerstandselement
mit einem schmelzbaren Klebstoff 8 angeklebt. Geeignete Klebstoffe sind unter der
Allgemeinbezeichnung Schmelzkleber im Handel. A] 5 Widerstandsel.ement kOmmt ein
handelsüblicher Mini.atur-Drahtwiderstand In Betracht. Besonders geeignet ist eine
Ausführung mit etwa den Abmessungen 2 mn x 6 mm Länge, einem Wickelkern aus Glasfasern
und offenliegender einlagiger Drahtwicklung. Die Wicklung ist mit einem Schmelzkleber
dünn beschichtet. Der Widerstandswert für den Betrieb am 220V-Netz kann z.B.
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330 (Ün betragen.
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Das Joch 7 soll. sicherstellen, daß ungeachtet von möglichen Ungleichmäljigkeiten
des Klebstoffes nach einer Auslösung stets beide Federbügel zugleich nach oben schwingen
und zwangsweise beide Kontaktstellen öffnen. Um die Öffhungsgeschwindigkeit nicht
stark zu verringern, ist das Joch soweit wie möglich erleichtert. Auch soll durch
Material und Formgebung verhindert werden, daß Wärme, die bei starker Strombelastung
der Kontaktstellen entsteht, auf die Klebeste]le übertragen wird. Die verjüngte
Form der Federbügel soll durch Verringerung der Masse ebenfalls eine hoere Öflnungsgeschwindigkeit
erbringen.
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An einem ausgeflihrten Muster ergeben sich etwa folgende Daten: Nach
dem Zünden des Halbleiterschalters wi.rd ein Strom von i.m Mittel 0,67A aufgenommen,
der klein ist im Verhältnis zu dem Nennstrom eines 1500-Watt-Haartrockners von 6,8A.
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Die an dem Widerstandselement anfal]ende Leistung von 146W im Mittel
bzw. 29ow als Spitzenwert erwärmt dieses je nach der Phasen].age zu Beginn der Auslösung
in ca. 1 bi.s 3 Mi llisekunden auf die Schmblztemperatur von ca. 1200C, so daß die
Klebestelle sich ist.
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Die Federbügel stehen unter einer Anfangskraft von etwa 1,2N, die
effektive Masse beträgt 80 mg. Daraus resultiert eine Anfangsbeschleunigung von
1500g und eine Öffnungszeit für 3 mm Kontaktabstand von etwa 1 Millisekunde. Während
dieser Zeit kann die Temperatur des Widerstandselementes weiterhin steigen, jedoch
nicht auf Werte, die zum Durchbrennen führen, da hierfür eine um Faktoren längere
Zeit nötig wäre. Nach dem Öffnen der beiden Kontaktstelien sind die Netzleitungen
9 und 10 sowohl von dem Schutzschalter als auch den Ver braucherleitungen 11 und
12 abgetrennt.
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Eine weitere Verkürzung der Abschaltverzögerung ist durch Verwendung
einer Wi.derstandsschicht auf Basis Metal.loxid auf einem ebenen Keramiksubstrat
möglich, da das Verhältnis von möglicher Impulsleistung zu Wärmekapazität von Widerstands-
und Klebstoffschicht verbessert würde.
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Statt einer wärmeempfindlichen Verklebung kann auch eine formschlüssige
Verbindung zwischen dem Joch 7 und dem Widerstandselement 6 durch Umschlingen mit
einem schmelzbaren Faden oder einem schmelzbaren dünnen Band hergestellt werden.
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Fig.2 stell.t eine elektronische Auslöseschaltung dar, deren Elemente
auf der gleichen Leiterplatte unterzubringen sind.
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Die Netzleitungen 9 und 10 sind über zwei Schalter, bestehend aus
den Federbügeln 2 und 3 und den Kontaktstiften 4 und 5 an die Verbraucherleitungen
11 und 12 geführt. In der Diagonale eines Diodenquartetts 13,14,15,16 befinden sich
das Widerstandselement 6 und ein Thyristor 17 mit Schutzkondensator 18. Gegenüber
einem Triac, der anstelle des Thyristors ohne das Dioden-Quartett einsetzbar wäre,
elh gibt sich der Vortei] einer verminderten Wahrscheinlichkeit einer ungewollten
Über-Kopf-Zündung, da der Kondensator 18 auf den Scheite]wert der Netzspannung aufgeladen
ist, und damit die Dioden meistens gesperrt bleiben. Der Widerstand 19 und Kondensator
20 dienen ebenfalls der Absicherung gegen Störimpul æ.
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Über zwei Hochchmwiderstände 21 und 22 sind zwei Sensorleitungen 23
und 24 angeschlossen, um Wasserbenetzung zu erfassen. Da für diese Anwendung der
kleinste handelsübliche Thyristor ausreicht, der zur Zündung weniger als 200 Mikroampere
benötigt, können die Wi.derstände
21,22 Werte um 120 kOhm aufweisen,
so daß die möglichen Ab].eitstrom'e von den Sensorleitungen ungefährlich bleiben
(unter 2mA). Damit i.st die Voraussetzung einer doppelten Iso]ation sowie eines
zeit]ichen Vorlaufs der Auslösung vor dem Beginn einer ernstlichen Elektrisierung
gegeben, wie in der DPA 3208147,2 näher ausgeftihrt i.st.
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Die Vorteile des beschriebenen Schutzscha] ters bestehen in den äußerst
geringen Herstellkosten, der großen Funktionssicherheit wegen des Fehlens mechanisch
komplizierter Zusammenhänge und geringer Bautei] ezahl, der Sicherheit gegen ungewollte
Auslösung wegen einer Entkopplung des Halbleiterschalters vom Netz durch das Widerstandselement
6, wodurch ein Kondensator 18 erst wirksam werden kann.
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Ferner ist der Schutzschalter uneepfindiich gegen Schock und Vibration
bis über lOOOg, da das Verhältnis von rückha]tender Kraft (Klebung) und der Masse
sehr groß ist. Je nach Wah] der schmelzbaren Substanz kann auch Temperatur-Unempfindlichkeit
bis über 1000C erreicht werden.
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Die Abschalteigenschaften sind durch Netzimpedanz und Netzabsicherung
nicht beeinflußt.
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Die geringen Abmessungen von z.B. 20x20x10 mm3 erlauben den Einbau
auch in kleine Elektrogeräte.
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