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WO2000026934A1 - Electric micromechanical residual-current protective switching device - Google Patents

Electric micromechanical residual-current protective switching device Download PDF

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Publication number
WO2000026934A1
WO2000026934A1 PCT/CH1999/000492 CH9900492W WO0026934A1 WO 2000026934 A1 WO2000026934 A1 WO 2000026934A1 CH 9900492 W CH9900492 W CH 9900492W WO 0026934 A1 WO0026934 A1 WO 0026934A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
current
microrelay
switching device
protection switching
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CH1999/000492
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Struempler
Felix Greuter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of WO2000026934A1 publication Critical patent/WO2000026934A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/30Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H9/40Multiple main contacts for the purpose of dividing the current through, or potential drop along, the arc
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00Contacts
    • H01H1/0036Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/26Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents
    • H02H3/32Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to difference between voltages or between currents; responsive to phase angle between voltages or between currents involving comparison of the voltage or current values at corresponding points in different conductors of a single system, e.g. of currents in go and return conductors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H2071/008Protective switches or relays using micromechanics
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H83/00Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current
    • H01H83/02Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current operated by earth fault currents
    • HELECTRICITY
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    • H01H83/00Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current
    • H01H83/14Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current operated by imbalance of two or more currents or voltages, e.g. for differential protection

Definitions

  • This invention relates to an electrical switching device for residual current protection.
  • Fl switches Conventional two-pole residual current circuit breakers
  • induction coil for detecting a current asymmetry between, for example, a phase conductor and a neutral conductor of a household power supply.
  • the currents in the conductors are added taking their direction into account. If the sum is clear a non-zero, ie above a certain threshold, triggers a conventional electromagnetic relay switch, in which case it must be assumed that the fault current above the threshold is due to an impermissible short circuit, earth contact or leakage current.
  • the invention is based on the technical problem of specifying a new, improved residual current circuit breaker.
  • an electrical fault current protection switching device with a first micro-relay switch in a first current path and an evaluation device for receiving and evaluating signals from a first current sensor that detects the current through the first current path and a second current sensor that detects a current through a second current path by comparing them with one another and opening the first microrelay switch in response to a result of the evaluation
  • an electrical residual current protection switching device with a first microrelay switch in a first circuit and a first total current sensor which detects a total current through the first current path and at least one second adjacent current path and an evaluation device for receiving and evaluating a signal of the first total current sensors and opening the first micro relay switch in response to a result of the evaluation.
  • microrelay switches in a residual current circuit breaker has various essential advantages.
  • a micro relay as such is state of the art.
  • This is an electrically operated miniature switch, which, in contrast to a transistor, is a mechanical switch with at least one movable contact piece. The mechanical movement of this contact piece is caused by an electrical signal.
  • Various mechanisms can be used for implementation. Electrostatically actuated microrelay cells are particularly preferred here. However, electromagnetic devices can also be used, in which planar spiral coils with ferromagnetic movable contact pieces are generally used. Piezoelectric microrelays are also possible, but require high control voltages.
  • microrelay switch now designates switching devices consisting of a single microrelay as well as switching devices directions that contain two or more microrelays. This is referred to again below.
  • microrelay switches can be realized with extremely low component weights and volumes in comparison to conventional electromagnetically operated relays. In this respect, they are suitable for installation in technical environments in which a conventional residual current circuit breaker would either lead to a significant increase in weight or volume or would generally not be usable.
  • An example are smaller electronic devices, plug connections z. B. on cables, standard housing for connector sockets z. B. for wall mounting etc.
  • micro-relay switches allow mass production at very low unit costs due to the mass production technologies used in the field of semiconductor technology.
  • the first of the two above definitions of the invention now uses at least one microrelay switch which is actuated in response to the signals of at least two current sensors.
  • Each current sensor detects the current through a respective current path, for example a cable or a conductor track.
  • the evaluation device compares the signals with one another and, in so far, can detect the occurrence of a fault current through a mismatch between the individual signals. Accordingly, the result of this evaluation is decisive for the actuation of the micro relay switch.
  • an overall current sensor was mentioned which detects the current through a first current path together with the current through the second current path.
  • a current sensor is envisaged which, based on the spatial conditions, detects the sum of the two currents suitable for the fault current detection, taking into account their directions. For example, two conductor tracks can lead the currents to be compared in opposite directions as current paths, the total current sensor detecting the total current, ie a zero current in the case of an equal amount. Accordingly, the signal of the total current sensor only has to be compared by the evaluation device with a correspondingly small threshold value in order to control the micro relay switch.
  • the total current sensor does not detect the currents through the two (or even several) current paths with the same sensitivity, but instead does not deliver a zero signal due to certain spatial relationships when the currents are identical in magnitude.
  • the evaluation device can also be designed to relate the signal of the total current sensor to a specific target range that is not centered on the value zero.
  • One embodiment of the invention relates to a residual current protection switching device for three-phase lines with neutral conductor, in which a fault current is therefore to be determined with reference to the adjustment in four current paths.
  • four current sensors can be provided for each current path, the signals of which are evaluated by the evaluation device.
  • a third and a fourth current sensor or a second total current sensor can also be provided for the third and fourth current paths.
  • the evaluation device is a preferably microelectronically implemented circuit which is readily apparent to the person skilled in the art with regard to the task.
  • the current sensors In the case of the current sensors, it must first be ascertained that they do not necessarily have to be part of the fault current protection switching device according to the invention.
  • This can also be conventional current sensors, for example induction coils.
  • Hall sensors which, as semiconductor elements, can likewise be comparatively small, light and inexpensive.
  • very low detection limits can also be achieved with Hall sensors, for example in the range of approximately 1 mA compared to a conventional detection limit of approximately 10 mA or above.
  • the invention has been described in connection with a microrelay switch in one of the current paths.
  • two or more microrelay switches can also be possible, with which some or all of the current paths affected by the detection can be switched.
  • it is of interest for example, to switch off all four poles when detecting a fault current.
  • Even in the case of a line with a phase and a neutral conductor it can be advantageous to be able to interrupt both lines. For example, this frees you from the need to take care during installation not to interchange the phase and neutral at any point.
  • This is particularly advantageous in the area of plug-in connections because they are often constructed symmetrically and can also be plugged in if the neutral and phase are mixed up.
  • there are also safety regulations for Fl switches that require all poles to be switched off.
  • microrelay switch is used here in a general sense, which means both a single microrelay and also includes a switching device consisting of two or more microrelays. This takes into account the fact that, due to technology, micro-relays are subject to certain limits with regard to their current carrying capacity and dielectric strength. If the current carrying capacity or the dielectric strength of the individual microrelay envisaged is not sufficient for the intended application, it is provided according to the invention to use voltage-dividing series circuit comprising two or more microrelay cells and / or current-dividing parallel circuits. Switch panels in the sense of voltage-dividing series circuits of parallel circuits which divide the current in each stage of the series circuit can also be used. With regard to this aspect, reference is made to the pre-registration "New electrical switching device" filed on October 9, 1998 by the same applicant with the file number 19846639.0, the disclosure content of which is included here.
  • a further embodiment of the invention consists in a double function of the evaluation device, which helps the residual current protection switching device according to the invention to a second function as an overcurrent protection switching device.
  • the invention is equivalent to a conventional electromagnetic contactor.
  • the evaluation device compares the signals of the current sensors with a threshold value defining an overcurrent and opens the micro-relay switch or switches in response to the result of this comparison.
  • a threshold value defining an overcurrent
  • the microrelay switch or switches, the evaluation device and possibly also the Hall sensors can each be designed as semiconductor chips, which are mounted together on a circuit board.
  • the invention already shows significant advantages because, due to the design of the micro relay switch, which is related to semiconductor technology, the same assembly technology or at least very similar assembly technologies can be used for the components involved, with a small size and low weight.
  • Hall sensors are also on a chip, for example can be carried out on a silicon chip or another substrate material.
  • a design very closely related to microelectronics reference is made to "Cylindrical Hall Device" by H. Blanchard, L. Chiesi, R. Racz and RS Popovic, Proceedings IEDM 96, pages 541-544, IEEE 1996.
  • the invention is also very suitable for combining different components with one another on a chip.
  • the evaluation device and the micro relay switch can be integrated. With a suitable technology of the Hall sensors, these can also be integrated.
  • it can make sense to integrate only the evaluation device and the Hall sensors, while the micro-relay switches are designed as separate chips or separate chips. This allows the combination of a standard component for the evaluation device and the Hall sensors with different levels for different electrical designs of the microrelay switches with regard to their current and voltage load.
  • the integration of other electronic components, e.g. B. of temperature sensors for a temperature-controlled reading of the micro relay switch, timer circuits, etc. is possible.
  • Devices for displaying the response of the residual current protection switching device to a residual current can also be integrated in an optical or acoustic manner.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a microrelay switch of a residual current protection switching device
  • FIG. 2 shows the complete residual current protection switching device with two micro relay switches according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a microrelay switch 1 consisting of 17 series-connected stages 2, each with 45 microrelay cells 3, which are connected in parallel.
  • each microrelay cell 3 corresponds to the already mentioned Siemens silicon 5 microrelay and, each with a microrelay cell 3, is the preceding and one of the following Level 2 electrically connected.
  • the connections are brought together on the outer side and connected to a common connection of the microrelay switch 1.
  • a movable contact piece 4 which here corresponds to an electrostatically bendable or deflectable spring tongue. It is essential in the switching device according to the invention that all these movable contact pieces 4 work synchronously, ie are opened and closed by a single common signal, in so far as
  • Each individual microrelay cell 3 can interrupt a voltage of approximately 24 V, so that a switchable voltage of 400 V results for the microrelay switch 1. This is a value that is favorable for many applications, 20 in particular values above 200 or 300 V are preferred.
  • the switchable load current for each microrelay cell 3 is approximately 200 mA and thus results in a total current of 9 A for the microrelay switch 1.
  • This microrelay switch 1 requires a total activation power of only 5 mW and shows a power loss in the order of 0.6-6 W in the conductive state. However, the latter value can be improved by further improving the contacts and possibly increasing the closing force of the microrelay cells lower further. Particularly in view of the extraordinarily low activation power, there is clearly scope for the closing force.
  • the arrangement of individual microrelay cells 3 shown in FIG. 1 forms a microrelay switch 1 in the sense of the invention. It is essential here that the micro-relay switch 1 is opened and closed uniformly, ie all movable contact pieces 4 of the individual micro-relay cells 3 are opened or closed simultaneously. The switching field from the microrelay cells 3 therefore behaves like a uniform switch 1.
  • FIG. 2 shows two of the microrelay switches 1 shown in FIG. 1 in a residual current protection switching device according to the invention.
  • the first micro relay switch is designated by the reference number 1 and the second micro relay switch, which is constructed identically, by the reference number 1 '.
  • the first microrelay switch 1 and the second microrelay switch 1 ' are each connected in a first current path 8 and a second current path 8', the two current paths 8, 8 'being branched off from two lines which can be seen in the upper region of FIG. 2 and in the lower region the figure 2 to a consumer.
  • the first current path 8 corresponds to a phase line
  • An earth line is not shown because it plays no role in the invention.
  • the two microrelay switches 1, 1 ' are controlled via a control line 9.
  • This control line 9 is identical for both microrelay switches 1, 1' because the microrelay switches 1, 1 'are switched together and simultaneously.
  • two separate microrelay switches 1, 1' are provided.
  • a common microrelay switch could also be used if it has galvanically isolated connections for the current paths, which have a sufficient dielectric strength in relation to one another.
  • the common control line 9 leads to an evaluation device 7 which has two parts 7a and 7b with regard to their function. Both parts 7a and 7b of the evaluation device 7 are supplied with a respective output signal. nes first Hall sensor 5 and a second Hall sensor 5 '. The first Hall sensor 5 detects the current through the first current path 8 and the Hall sensor 5 'detects the current through the second current path 8'. (Each of the Hall sensors 5, 5 'requires a drive power of approximately 60 to 360 mW). The part 7a of the evaluation device 7 determines the sum of the currents through the current paths 8, 8 'from the signals of the Hall sensors 5, 5', taking into account their direction, that is to say the difference in the amounts.
  • part 7a of the evaluation device 7 outputs a control signal via the control line 9, which the two microrelay switches 1, 1 'within approximately 150 ⁇ s after the detection of the Fault current, ie the excessive current sum or difference opens.
  • part 7b of the evaluation device 7 monitors the signals of the Hall sensors 5, 5 'for themselves, i. H. compares the detected current quantities individually with a threshold value, which represents the maximum permissible current in the current paths. If an overcurrent occurs, that is to say the threshold value is exceeded, part 7b of the evaluation device 7 in the same way ensures immediate opening of the micro-relay switches 1 and 1 '.
  • the fault current protection switching device thus simultaneously has the function of an overcurrent protection switching device. It is clear that the same microrelay switches 1, 1 ', Hall sensors 5, 5' and the same control line 9 can be used for this.
  • the representation of the evaluation device 7 as consisting of two parts 7a and 7b is only related to the function of the evaluation device 7. The same circuit units can be used for the most part within the evaluation device 7 for the two functions 7a and 7b, for example the same input stages for the signals from the Hall sensors 5, 5 ', the same control stage for the micro-relay switches 1, 1', etc. The difference between the two parts
  • the evaluation device 7 is designed as an integrated Si analog circuit.
  • the Hall sensors 5, 5 ′ are designed on a Si substrate in accordance with the publication “Cyclic Hall Device” already cited.
  • the evaluation device 7, the Hall sensors 5, 5 are also and the two microrelay switches 1, 1 are integrated on the same uniform Si chip 6.
  • the residual current protection switching device according to the invention thus corresponds to a single Si chip 6 which is provided with a suitable housing with corresponding connections for a conventional household power line, which correspond to the two current paths 8, 8 'outside the housing
  • the housing is only shown symbolically with the frame 10 in Figure 2 and can, for example, correspond to a conventional connector housing.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

The invention relates to a novel residual-current protective switching device. The switch or switches (1, 1') have at least one respective microrelay (3) for the interruption of current or currents in monitored current paths (8, 8').

Description

ELEKTRISCHE MIKROMECHANISCHE FEHLERSTROMSCHUTZ-SCHALTEINRICHTUNG ELECTRIC MICROMECHANICAL FAULT CURRENT SWITCHING DEVICE

Diese Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung zum Fehlerstromschutz.This invention relates to an electrical switching device for residual current protection.

Konventionelle zweipolige Fehlerstromschutzschalter („Fl-Schalter") bestehen im wesentlichen aus einer Induktionsspule zur Erfassung einer Stromasymmetrie zwischen z. B. einem Phasenleiter und einem Nulleiter einer Haushaltsstromversorgung. 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 elektromagnetischer Relaisschalter ausgelöst. In diesem Fall muß nämlich davon ausgegangen werden, daß der über dem Schwellenwert liegende Fehlerstrom durch einen unzulässigen Kurzschluß, Erdkontakt oder Kriechstrom bedingt ist.Conventional two-pole residual current circuit breakers ("Fl switches") essentially consist of an induction coil for detecting a current asymmetry between, for example, a phase conductor and a neutral conductor of a household power supply. The currents in the conductors are added taking their direction into account. If the sum is clear a non-zero, ie above a certain threshold, triggers a conventional electromagnetic relay switch, in which case it must be assumed that the fault current above the threshold is due to an impermissible short circuit, earth contact or leakage current.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine neue verbesserte Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung anzugeben.The invention is based on the technical problem of specifying a new, improved residual current circuit breaker.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem einerseits gelöst durch eine elektrische Fehierstromschutz-Schalteinrichtung mit einem ersten Mikrorelaisschalter in einem ersten Strompfad und einer Auswerteeinrichtung zum Empfangen und Auswerten von Signalen eines den Strom durch den ersten Strompfad erfassenden ersten Stromsensors und eines einen Strom durch einen zweiten Strompfad erfassenden zweiten Stromsensors durch Vergleich untereinander und Öffnen des ersten Mikrorelaisschalters ansprechend auf ein Resultat der Auswertung, und andererseits durch eine elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit einem ersten Mikrorelaisschalter in einem ersten Stromkreis und einem einen Ge- samtstrom durch den ersten Strompfad und zumindest einen zweiten benachbarten Strompfad erfassenden ersten Gesamtstromsensor und einer Auswerteeinrichtung zum Empfangen und Auswerten eines Signals des ersten Gesamtstrom- sensors und Öffnen des ersten Mikrorelaisschalters ansprechend auf ein Resultat der Auswertung.According to the invention, this problem is solved on the one hand by an electrical fault current protection switching device with a first micro-relay switch in a first current path and an evaluation device for receiving and evaluating signals from a first current sensor that detects the current through the first current path and a second current sensor that detects a current through a second current path by comparing them with one another and opening the first microrelay switch in response to a result of the evaluation, and on the other hand by means of an electrical residual current protection switching device with a first microrelay switch in a first circuit and a first total current sensor which detects a total current through the first current path and at least one second adjacent current path and an evaluation device for receiving and evaluating a signal of the first total current sensors and opening the first micro relay switch in response to a result of the evaluation.

Ausgestaltungen der Erfindung sind den verschiedenen abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.Embodiments of the invention can be found in the various dependent claims.

Die Erfindung geht von der Grundidee aus, daß der Einsatz von Mikrorelaisschal- tern in einer Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung verschiedene wesentliche Vorteile mit sich bringt. Ein Mikrorelais als solches ist Stand der Technik. Dabei handelt es sich um einen elektrisch betätigten Miniaturschalter, der jedoch im Gegen- satz zu einem Transistor ein mechanischen Schalter mit zumindest einem beweglichen Kontaktstück ist. Dabei wird die mechanische Bewegung dieses Kontaktstücks durch ein elektrisches Signal hervorgerufen. Für die Umsetzung kommen verschiedene Mechanismen in Frage. Bevorzugt sind hier insbesondere elektrostatisch betätigte Mikrorelaiszellen. Es können jedoch auch elektromagnetische Vorrichtungen verwendet werden, bei denen im allgemeinen planare Spiralspulen mit ferromagnetischeπ beweglichen Kontaktstücken verwendet werden. Auch piezoelektrische Mikrorelais sind möglich, benötigen jedoch hohe Ansteuerspannungen.The invention is based on the basic idea that the use of microrelay switches in a residual current circuit breaker has various essential advantages. A micro relay as such is state of the art. This is an electrically operated miniature switch, which, in contrast to a transistor, is a mechanical switch with at least one movable contact piece. The mechanical movement of this contact piece is caused by an electrical signal. Various mechanisms can be used for implementation. Electrostatically actuated microrelay cells are particularly preferred here. However, electromagnetic devices can also be used, in which planar spiral coils with ferromagnetic movable contact pieces are generally used. Piezoelectric microrelays are also possible, but require high control voltages.

Als konkretes Beispiel für eine mögliche Technologie für eine elektrostatisch betätigte 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 Offenbarungsgehalt dieser und der im Folgenden zitierten Quellen ist in dieser Anmeldung mitinbegriffen.As a concrete example of a possible technology for an electrostatically actuated microrelay cell, reference is made to a Si microrelay published by Siemens (HF Schlaak, F. Arndt, J. Schimkat, M. Hanke, Proc. Micro System Technology 96, 1996, pages 463- 468). Reference is also made to R. Allen: "Simplified Process is Used to Make Micromachined FET-like Four-Terminal Microswitches and Microrelays" in Electronic Design, 8 July, 1996, page 31 and to "Micromechanic Membrane Switches on Silicon" by KE Petersen , IBM J. RES. DEVELOP., Vol. 23, No. 4, July 1979, pages 376-385. The disclosure content of these and the sources cited below is included in this application.

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 Folgenden noch einmal Bezug genommen.In this invention, the term microrelay switch now designates switching devices consisting of a single microrelay as well as switching devices directions that contain two or more microrelays. This is referred to again below.

Zurückkommend auf die erwähnten Vorteile der Mikrorelaisschalter, sind zunächst erheblich schnellere Schaltzeiten im Bereich von beispielsweise 100-200 μs möglich anstelle von Reaktionszeiten der konventionellen Fehlerstromschutz-Schalter von über 25 ms. Insbesondere in Anbetracht der Sicherheitsfunktion von Fehlerstromschutz-Schalteinrichtungen ist dieser Aspekt von großer Bedeutung.Returning to the advantages of the microrelay switches mentioned, considerably faster switching times in the range of, for example, 100-200 μs are possible instead of the reaction times of the conventional residual current circuit breakers of over 25 ms. This aspect is particularly important in view of the safety function of residual current circuit breakers.

Weiterhin lassen sich die Mikrorelaisschalter im Vergleich zu konventionellen elektromagnetisch betätigten Relais mit außerordentlich geringen Bauteilgewichten und -volumina realisieren. Insoweit bieten sie sich für den Einbau in technische 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 elektronische Geräte, Steckverbindungen z. B. an Kabeln, Standardgehäuse für Steckverbindungsbuchsen z. B. zur Wandmontage usw.Furthermore, the microrelay switches can be realized with extremely low component weights and volumes in comparison to conventional electromagnetically operated relays. In this respect, they are suitable for installation in technical environments in which a conventional residual current circuit breaker would either lead to a significant increase in weight or volume or would generally not be usable. An example are smaller electronic devices, plug connections z. B. on cables, standard housing for connector sockets z. B. for wall mounting etc.

In diesem Zusammenhang ist schließlich zu erwähnen, daß Mikrorelaisschalter infolge der dabei verwendbaren Massenherstellungstechnologien aus dem Bereich der Halbleitertechnik eine Großserienherstellung bei sehr geringen Stückkosten zulassen.In this context, it should finally be mentioned that micro-relay switches allow mass production at very low unit costs due to the mass production technologies used in the field of semiconductor technology.

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 Auswerteeinrichtung 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 ausschlaggebend 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. Beispielsweise 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.The first of the two above definitions of the invention now uses at least one microrelay switch which is actuated in response to the signals of at least two current sensors. Each current sensor detects the current through a respective current path, for example a cable or a conductor track. The evaluation device compares the signals with one another and, in so far, can detect the occurrence of a fault current through a mismatch between the individual signals. Accordingly, the result of this evaluation is decisive for the actuation of the micro relay switch. In the second definition of the invention, an overall current sensor was mentioned which detects the current through a first current path together with the current through the second current path. A current sensor is envisaged which, based on the spatial conditions, detects the sum of the two currents suitable for the fault current detection, taking into account their directions. For example, two conductor tracks can lead the currents to be compared in opposite directions as current paths, the total current sensor detecting the total current, ie a zero current in the case of an equal amount. Accordingly, the signal of the total current sensor only has to be compared by the evaluation device with a correspondingly small threshold value in order to control the micro relay switch.

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 Auswerteeinrichtung 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.It is of course also possible that the total current sensor does not detect the currents through the two (or even several) current paths with the same sensitivity, but instead does not deliver a zero signal due to certain spatial relationships when the currents are identical in magnitude. Then, of course, the evaluation device can also be designed to relate the signal of the total current sensor to a specific target range that is not centered on the value zero.

Natürlich können die beiden Varianten der Erfindung auch in verschiedener Weise kombiniert sein.Of course, the two variants of the invention can also be combined in different ways.

Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutz- Schalteinrichtung für Dreiphasenleitungen mit Nulleiter, bei denen also ein Fehlerstrom 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.One embodiment of the invention relates to a residual current protection switching device for three-phase lines with neutral conductor, in which a fault current is therefore to be determined with reference to the adjustment in four current paths. For this purpose, according to the invention, four current sensors can be provided for each current path, the signals of which are evaluated by the evaluation device.

Auch zusätzlich zu einem die Ströme durch zwei Strompfade messenden Gesamtstromsensor 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.In addition to a total current sensor measuring the currents through two current paths, a third and a fourth current sensor or a second total current sensor can also be provided for the third and fourth current paths. The evaluation device is a preferably microelectronically implemented circuit which is readily apparent to the person skilled in the art with regard to the task.

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, beispielsweise Induktionsspulen handeln. Im Hinblick auf die mit der Erfindung möglichen Vorteile betrifft die vorteilhafteste Wahl jedoch Hall-Sensoren, die als Halbleiterelemente ebenfalls vergleichsweise klein, leicht und preiswert realisiert sein können. Insbesondere sind mit Hall-Sensoren auch sehr geringe Nachweisgrenzen realisierbar, beispielsweise im Bereich von etwa 1 mA im Vergleich zu einer konventionellen Nachweisgrenze von etwa 10 mA oder darüber.In the case of the current sensors, it must first be ascertained that they do not necessarily have to be part of the fault current protection switching device according to the invention. This can also be conventional current sensors, for example induction coils. With regard to the advantages possible with the invention, however, the most advantageous choice relates to Hall sensors, which, as semiconductor elements, can likewise be comparatively small, light and inexpensive. In particular, very low detection limits can also be achieved with Hall sensors, for example in the range of approximately 1 mA compared to a conventional detection limit of approximately 10 mA or above.

Bislang wurde die Erfindung in Zusammenhang mit einem Mikrorelaisschaler in einem der Strompfade beschrieben. Es können natürlich auch zwei oder mehrere Mikrorelaisschalter möglich sein, mit denen ein Teil der oder alle von der Erfassung 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 Leitungen 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 Fl-Schalter, die das Abschalten aller Pole verlangen.So far, the invention has been described in connection with a microrelay switch in one of the current paths. Of course, two or more microrelay switches can also be possible, with which some or all of the current paths affected by the detection can be switched. In the case of the three-phase lines with neutral conductor already mentioned, it is of interest, for example, to switch off all four poles when detecting a fault current. Even in the case of a line with a phase and a neutral conductor, it can be advantageous to be able to interrupt both lines. For example, this frees you from the need to take care during installation not to interchange the phase and neutral at any point. This is particularly advantageous in the area of plug-in connections because they are often constructed symmetrically and can also be plugged in if the neutral and phase are mixed up. In particular, there are also safety regulations for Fl switches that require all poles to be switched off.

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 Serienschaltung aus zwei oder mehreren Mikrorelaiszellen und/oder stromteilende Parallelschaltungen 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 19846639.0, deren Offenbarungsgehalt hier inbegriffen ist.It has already been pointed out that the term microrelay switch is used here in a general sense, which means both a single microrelay and also includes a switching device consisting of two or more microrelays. This takes into account the fact that, due to technology, micro-relays are subject to certain limits with regard to their current carrying capacity and dielectric strength. If the current carrying capacity or the dielectric strength of the individual microrelay envisaged is not sufficient for the intended application, it is provided according to the invention to use voltage-dividing series circuit comprising two or more microrelay cells and / or current-dividing parallel circuits. Switch panels in the sense of voltage-dividing series circuits of parallel circuits which divide the current in each stage of the series circuit can also be used. With regard to this aspect, reference is made to the pre-registration "New electrical switching device" filed on October 9, 1998 by the same applicant with the file number 19846639.0, the disclosure content of which is included here.

Es sind jedoch zum Anmeldezeitpunkt dieser Erfindung technologische Tendenzen zur Ausführung einzelner Mikrorelais mit recht hohen Spannungs- und Stromverträglichkeiten bekannt. Weitere Verbesserungen in der Zukunft sind demzufolge absehbar. Beispielsweise beschäftigt sich ein Forschungsprojekt des Herstellers 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 ausreichenden Stromtragfähigkeit der Mikrorelais für viele Anwendungen beispielsweise bei Haushaltsstromnetzen zu rechnen ist. Dann genügt eine entsprechende Serienschaltung für die Anpassung an die jeweilige Spannungsvorgabe.However, at the time of filing this invention, there are known technological tendencies to implement individual microrelays with fairly high voltage and current tolerances. Further improvements in the future are therefore foreseeable. For example, a research project by the manufacturer Bosch is working with the University of Bremen on the development of micro relays with 24 V maximum switching voltage and 25 A maximum switching current. From the numerical values mentioned it can be seen that, in particular, the microrelay has sufficient current carrying capacity for many applications, for example in household power networks. Then a corresponding series connection is sufficient for the adaptation to the respective voltage specification.

Es ist insbesondere von Vorteil, unterschiedliche Mikrorelaisschalter bei einer festliegenden Standardtechnologie und einer dementsprechend unveränderten Standardmikrorelaiszelle in unterschiedlichen Größen der Parallelschaltung, Serienschaltung oder des Schaltfeldes herzustellen. Dazu muß lediglich die Geome- trie des Layouts verändert werden, beispielsweise durch Austausch des Maskensatzes. Im übrigen wird das Herstellungsverfahren praktisch nicht verändert. Hierdurch ergeben sich bei weitgehender Erhaltung der Kostenvorteile einer Großse- rienproduktion Möglichkeiten zur Abdeckung eines großen Bereichs verschiedenster elektrischer Spezifikationen. Dies gilt im übrigen sowohl für den Fall einzelner Mikrorelaisschalter als auch in integrierter Kombination mit anderen elektronischen Einrichtungen.It is particularly advantageous to produce different micro-relay switches with a fixed standard technology and a correspondingly unchanged standard micro-relay cell in different sizes of the parallel connection, series connection or control panel. All that is required is to change the geometry of the layout, for example by exchanging the mask set. Otherwise, the manufacturing process is practically unchanged. This results in largely maintaining the cost advantages of a large Series production Possibilities to cover a wide range of different electrical specifications. Incidentally, this applies both to the case of individual microrelay switches and in an integrated combination with other electronic devices.

Der bereits erwähnte Vorteil der sehr schnellen Ansprechgeschwindigkeit der einzelnen Mikrorelaiszellen geht bei einer Verschaltung mehrerer Mikrorelaiszellen vorteilhafterweise ohne Skalierung unmittelbar in den gesamten Mikrorelaisschalter ein. Somit lassen sich auch bei großen Spezifikationswerten außerordentlich schnell ansprechende Fehlerstromschutz-Schalteinrichtungen realisieren. Vergleichbare konventionelle Fehlerstromschutz-Schalter sind durch die Trägheit der bewegten Massen demgegenüber erheblich beschränkt.The above-mentioned advantage of the very fast response speed of the individual microrelay cells is advantageously incorporated directly into the entire microrelay switch without interconnecting a plurality of microrelay cells. This means that even with large specification values, extremely responsive residual current circuit breakers can be implemented. Comparable conventional residual current circuit breakers are considerably limited due to the inertia of the moving masses.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einer Doppelfunktion der Auswerteeinrichtung, die der erfindungsgemäßen Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung zu einer Zweitfunktion als Überstromschutz-Schalteinrichtung verhilft. Dabei ist die Erfindung ein Äquivalent zu einem konventionellen elektromagnetischen Schütz. Dazu vergleicht die Auswerteeinrichtung die Signale der Stromsensoren 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 Voranmeldung „Neue elektrische Schalteinrichtung" im Bezug genommen.A further embodiment of the invention consists in a double function of the evaluation device, which helps the residual current protection switching device according to the invention to a second function as an overcurrent protection switching device. The invention is equivalent to a conventional electromagnetic contactor. For this purpose, the evaluation device compares the signals of the current sensors with a threshold value defining an overcurrent and opens the micro-relay switch or switches in response to the result of this comparison. Here too, the disclosure content of the previously cited prior application "New electrical switching device" is referred to.

Die Erfindung kann in verschiedenen Integrationsvarianten realisiert sein. Zum einen können der oder die Mikrorelaisschalter, die Auswerteeinrichtung und gegebenenfalls auch die Hall-Sensoren jeweils als Halbleiterchips ausgeführt sein, die gemeinsam auf einer Platine montiert sind. Hier zeigt die Erfindung bereits wesentliche 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 geringem Gewicht verwendet werden können. In diesem Zusammenhang ist insbesondere 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.The invention can be implemented in various integration variants. On the one hand, the microrelay switch or switches, the evaluation device and possibly also the Hall sensors can each be designed as semiconductor chips, which are mounted together on a circuit board. Here, the invention already shows significant advantages because, due to the design of the micro relay switch, which is related to semiconductor technology, the same assembly technology or at least very similar assembly technologies can be used for the components involved, with a small size and low weight. In this context, it should be pointed out in particular that Hall sensors are also on a chip, for example can be carried out on a silicon chip or another substrate material. As an example of a design very closely related to microelectronics, reference is made to "Cylindrical Hall Device" by H. Blanchard, L. Chiesi, R. Racz and RS Popovic, Proceedings IEDM 96, pages 541-544, IEEE 1996.

Die Erfindung eignet sich jedoch auch sehr gut dazu, verschiedene Bauteile auf einem Chip miteinander zu kombinieren. Beispielsweise können die Auswerteeinrichtung und die Mikrorelaisschalter integriert ausgeführt sein. Bei einer geeigneten 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 elektronischer Bauteile, z. B. von Temperatursensoren für eine temperaturgesteuerte Auslesung der Mikrorelaisschalter, von Zeitgeberschaltungen usw. ist möglich.However, the invention is also very suitable for combining different components with one another on a chip. For example, the evaluation device and the micro relay switch can be integrated. With a suitable technology of the Hall sensors, these can also be integrated. On the other hand, it can make sense to integrate only the evaluation device and the Hall sensors, while the micro-relay switches are designed as separate chips or separate chips. This allows the combination of a standard component for the evaluation device and the Hall sensors with different levels for different electrical designs of the microrelay switches with regard to their current and voltage load. The integration of other electronic components, e.g. B. of temperature sensors for a temperature-controlled reading of the micro relay switch, timer circuits, etc. is possible.

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.Devices for displaying the response of the residual current protection switching device to a residual current (or also to an overcurrent or an increased temperature) can also be integrated in an optical or acoustic manner.

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.A specific embodiment of the invention is described below with reference to the figures. Features disclosed here can also be essential to the invention individually or in combinations other than those shown.

Figur 1 zeigt ein schematisiertes Schaltungsdiagramm eines Mikrorelaisschalters einer erfindungsgemäßen Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung, undFIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a microrelay switch of a residual current protection switching device, and

Figur 2 zeigt die vollständige Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit zwei Mikro- relaisschaltern gemäß Figur 1. Figur 1 zeigt einen aus 17 seriell geschalteten Stufen 2 mit jeweils 45 parallel geschalteten Mikrorelaiszellen 3 bestehenden Mikrorelaisschalter 1. Jede Mikrore- laiszelle 3 entspricht technologisch dem bereits erwähnten Siemens-Silizium- 5 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 zusammengeführt und an einen gemeinsamen Anschluß des Mikrorelaisschalters 1 gelegt.FIG. 2 shows the complete residual current protection switching device with two micro relay switches according to FIG. 1. FIG. 1 shows a microrelay switch 1 consisting of 17 series-connected stages 2, each with 45 microrelay cells 3, which are connected in parallel. Technologically, each microrelay cell 3 corresponds to the already mentioned Siemens silicon 5 microrelay and, each with a microrelay cell 3, is the preceding and one of the following Level 2 electrically connected. In the last and in the first of the stages 2, the connections are brought together on the outer side and connected to a common connection of the microrelay switch 1.

10 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 1 0 One can also see in a highly schematic representation a movable contact piece 4, which here corresponds to an electrostatically bendable or deflectable spring tongue. It is essential in the switching device according to the invention that all these movable contact pieces 4 work synchronously, ie are opened and closed by a single common signal, in so far as

15 Teile eines gemeinsam aufgebauten einheitlichen Schalters wirken.15 parts of a jointly constructed uniform switch work.

Jede einzelne Mikrorelaiszelle 3 kann eine Spannung von etwa 24 V unterbrechen, so daß sich für den Mikrorelaisschalter 1 eine abschaltbare Spannung von 400 V ergibt. Dies ist ein für viele Anwendungen günstiger Wert, bevorzugt sind 20 insbesondere Werte über 200 bzw. 300 V.Each individual microrelay cell 3 can interrupt a voltage of approximately 24 V, so that a switchable voltage of 400 V results for the microrelay switch 1. This is a value that is favorable for many applications, 20 in particular values above 200 or 300 V are preferred.

Der schaltbare Laststrom für jede Mikrorelaiszelle 3 beträgt etwa 200 mA und ergibt damit einen Gesamtstrom von 9 A für den Mikrorelaisschalter 1.The switchable load current for each microrelay cell 3 is approximately 200 mA and thus results in a total current of 9 A for the microrelay switch 1.

2. 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 Verbesserung der Kontakte und eventuell eine Erhöhung der Schließkraft der Mikrorelaiszellen weiter senken. Insbesondere in Anbetracht der außerordentlich niedri- 30 gen Aktivierungsleistung besteht bei der Schließkraft erkennbar Spielraum. Die in Figur 1 dargestellte Anordnung von einzelnen Mikrorelaiszellen 3 bildet insgesamt 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 Mikrorelaiszellen 3 wie ein einheitlicher Schalter 1.2. This microrelay switch 1 requires a total activation power of only 5 mW and shows a power loss in the order of 0.6-6 W in the conductive state. However, the latter value can be improved by further improving the contacts and possibly increasing the closing force of the microrelay cells lower further. Particularly in view of the extraordinarily low activation power, there is clearly scope for the closing force. The arrangement of individual microrelay cells 3 shown in FIG. 1 forms a microrelay switch 1 in the sense of the invention. It is essential here that the micro-relay switch 1 is opened and closed uniformly, ie all movable contact pieces 4 of the individual micro-relay cells 3 are opened or closed simultaneously. The switching field from the microrelay cells 3 therefore behaves like a uniform switch 1.

Figur 2 zeigt zwei der in Figur 1 dargestellten Mikrorelaisschalter 1 in einer erfindungsgemäßen Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung. Dabei ist der erste Mikro- relaisschalter mit der Bezugsziffer 1 und der zweite Mikrorelaisschalter, der identisch aufgebaut ist, mit der Bezugsziffer 1 ' bezeichnet. Der erste Mikrorelaisschalter 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 Figur 2 erkennbaren Leitungen abgezweigt sind und im unteren Bereich der Figur 2 zu einem Verbraucher weiterführen. Dabei entspricht beispielsweise der erste Strompfad 8 einer Phasenleitung und der zweite Strompfad 8' dem zugehörigen Nulleiter. Eine Erdleitung ist nicht eingezeichnet, weil sie für die Erfindung keine Rolle spielt.FIG. 2 shows two of the microrelay switches 1 shown in FIG. 1 in a residual current protection switching device according to the invention. The first micro relay switch is designated by the reference number 1 and the second micro relay switch, which is constructed identically, by the reference number 1 '. The first microrelay switch 1 and the second microrelay switch 1 'are each connected in a first current path 8 and a second current path 8', the two current paths 8, 8 'being branched off from two lines which can be seen in the upper region of FIG. 2 and in the lower region the figure 2 to a consumer. For example, the first current path 8 corresponds to a phase line and the second current path 8 'corresponds to the associated neutral conductor. An earth line is not shown because it plays no role in the invention.

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 ' gemeinsam und zeitgleich geschaltet werden. Lediglich wegen der galvanischen Trennung 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 werden, wenn er galvanisch getrennte Anschlüsse für die Strompfade aufweist, die in Bezug aufeinander eine ausreichende Spannungsfestigkeit zeigen.The two microrelay switches 1, 1 ', more precisely their respective contact pieces 4, are controlled via a control line 9. This control line 9 is identical for both microrelay switches 1, 1' because the microrelay switches 1, 1 'are switched together and simultaneously. Merely because of the galvanic isolation between the phase-conducting first current path 8 and the second neutral conductor path 8 ', two separate microrelay switches 1, 1' are provided. A common microrelay switch could also be used if it has galvanically isolated connections for the current paths, which have a sufficient dielectric strength in relation to one another.

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' benötigt 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 relativ 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 Fehlerstroms zu vermutende Defekt in dem von den Strompfaden 8, 8' versorgten Verbraucher kann behoben werden.The common control line 9 leads to an evaluation device 7 which has two parts 7a and 7b with regard to their function. Both parts 7a and 7b of the evaluation device 7 are supplied with a respective output signal. nes first Hall sensor 5 and a second Hall sensor 5 '. The first Hall sensor 5 detects the current through the first current path 8 and the Hall sensor 5 'detects the current through the second current path 8'. (Each of the Hall sensors 5, 5 'requires a drive power of approximately 60 to 360 mW). The part 7a of the evaluation device 7 determines the sum of the currents through the current paths 8, 8 'from the signals of the Hall sensors 5, 5', taking into account their direction, that is to say the difference in the amounts. If this sum or difference lies above a relatively small threshold value of approximately 5 mA, part 7a of the evaluation device 7 outputs a control signal via the control line 9, which the two microrelay switches 1, 1 'within approximately 150 μs after the detection of the Fault current, ie the excessive current sum or difference opens. This means that both current paths 8, 8 'are interrupted, and the defect in the consumer supplied by the current paths 8, 8', which is to be assumed due to the fault current, can be eliminated.

Andererseits überwacht der Teil 7b der Auswerteeinrichtung 7 die Signale der Hall-Sensoren 5, 5' jeweils für sich, d. h. vergleicht die erfaßten Stromgrößen einzeln mit einem Schwellenwert, der den maximal zulässigen Strom in den Strompfaden darstellt. Tritt ein Überstrom auf, also wird der Schwellenwert überschrit- ten, so sorgt der Teil 7b der Auswerteeinrichtung 7 in gleicher Weise für eine sofortige Öffnung der Mikrorelaisschalter 1 und 1 '.On the other hand, the part 7b of the evaluation device 7 monitors the signals of the Hall sensors 5, 5 'for themselves, i. H. compares the detected current quantities individually with a threshold value, which represents the maximum permissible current in the current paths. If an overcurrent occurs, that is to say the threshold value is exceeded, part 7b of the evaluation device 7 in the same way ensures immediate opening of the micro-relay switches 1 and 1 '.

Damit besitzt die erfindungsgemäße Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung gleichzeitig die Funktion einer Überstromschutz-Schalteinrichtung. Es ist klar, daß hier- zu die gleichen Mikrorelaisschalter 1 , 1 ', Hall-Sensoren 5, 5' und die gleiche Ansteuerleitung 9 verwendet werden können. Darüber hinaus ist die Darstellung der Auswerteeinrichtung 7 als aus zwei Teilen 7a und 7b bestehend nur auf die Funktion der Auswerteinrichtung 7 bezogen. Es können innerhalb der Auswerteeinrichtung 7 für die beiden Funktionen 7a und 7b zu großen Teilen die gleichen Schaltungseinheiten verwendet werden, also beispielsweise die gleichen Eingangsstufen für die Signale der Hall-Sensoren 5, 5', die gleiche Ansteuerstufe für die Mikrorelaisschalter 1 , 1 ' usw. Der Unterschied zwischen den beiden Teilen The fault current protection switching device according to the invention thus simultaneously has the function of an overcurrent protection switching device. It is clear that the same microrelay switches 1, 1 ', Hall sensors 5, 5' and the same control line 9 can be used for this. In addition, the representation of the evaluation device 7 as consisting of two parts 7a and 7b is only related to the function of the evaluation device 7. The same circuit units can be used for the most part within the evaluation device 7 for the two functions 7a and 7b, for example the same input stages for the signals from the Hall sensors 5, 5 ', the same control stage for the micro-relay switches 1, 1', etc The difference between the two parts

besteht nur in der Signalverarbeitung selbst, d. h. zwischen dem Vergleich zwischen zwei Stromsignalen mit einer durch den Fehlerstromschwellenwert vorgegebenen Toleranz einerseits und dem Vergleich des jeweiligen einzelnen Stromsignals mit dem Überstromschwellenwert andererseits.consists only in the signal processing itself, i. H. between the comparison between two current signals with a tolerance predetermined by the fault current threshold value on the one hand and the comparison of the respective individual current signal with the overcurrent threshold value on the other hand.

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 Figur 2 dargestellten Variante sind darüber hinaus die Auswerteeinrichtung 7, die Hall- Sensoren 5, 5' und die beiden Mikrorelaisschalter 1 , 1 ' auf demselben einheitlichen Si-Chip 6 integriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht die erfindungsgemäße 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 Figur 2 nur symbolisch mit dem Rahmen 10 dargestellt und kann beispielsweise einem konventionellen Steckverbindungsgehäuse entsprechen. The evaluation device 7 is designed as an integrated Si analog circuit. The Hall sensors 5, 5 ′ are designed on a Si substrate in accordance with the publication “Cyclic Hall Device” already cited. In the variant shown here in FIG. 2, the evaluation device 7, the Hall sensors 5, 5 are also and the two microrelay switches 1, 1 are integrated on the same uniform Si chip 6. In this exemplary embodiment, the residual current protection switching device according to the invention thus corresponds to a single Si chip 6 which is provided with a suitable housing with corresponding connections for a conventional household power line, which correspond to the two current paths 8, 8 'outside the housing The housing is only shown symbolically with the frame 10 in Figure 2 and can, for example, correspond to a conventional connector housing.

Claims

Ansprüche Expectations 1 . Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit einem ersten Mikrorelaisschalter (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.1 . Electrical residual current protection switching device with a first micro-relay switch (1) in a first current path (8) and an evaluation device (7) for receiving and evaluating signals from a first current sensor (5) and one that detects the current through the first current path (8) a current through a second current path (8 ') detecting second current sensor (5') by comparison with each other and opening the first micro relay switch (1) in response to a result of the evaluation. 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 Stromsensors ausgelegt ist.2. Electrical residual current protection switching device according to claim 1, wherein the evaluation device (7) for receiving and evaluating signals of the first and the second current sensor (5, 5 ') as well as a third current sensor detecting a current through a third current path and a current is designed by a fourth current sensor that detects a fourth current path. 3. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Stromsensoren (5, 5') Teil der Schalteinrichtung und durch Hall- Sensoren gebildet sind.3. Electrical residual current protection switching device according to claim 1 or 2, wherein the current sensors (5, 5 ') are part of the switching device and formed by Hall sensors. 4. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung mit einem ersten Mikrorelaisschalter (1 ) in einem ersten Strompfad (8) und einem einen Gesamtstrom durch den ersten Strompfad und zumindest einen zweiten be- nachbarten Strompfad erfassenden ersten Gesamtstromsensor und einer4. Electrical residual current protection switching device with a first microrelay switch (1) in a first current path (8) and a first total current sensor and a total current through the first current path and at least one second adjacent current path Auswerteeinrichtung zum Empfangen und Auswerten eines Signals des ersten Gesamtstromsensors und Öffnen des ersten Mikrorelaisschalters (1 ) ansprechend auf ein Resultat des Vergleichs.Evaluation device for receiving and evaluating a signal of the first total current sensor and opening the first microrelay switch (1) in response to a result of the comparison. 5. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 4 mit einem zweiten und einem dritten Stromsensor oder mit einem zweiten Gesamtstromsensor zum Erfassen der Ströme bzw. des Gesamtstromes durch einen dritten und einen vierten Strompfad, wobei die Auswerteeinrichtung ausgelegt ist zum Empfangen und Auswerten von Signalen des ersten Gesamtstromsensors und des zweiten und des dritten Stromsensors bzw. des zweiten Gesamtstromsensors.5. Electrical residual current protection switching device according to claim 4 with a second and a third current sensor or with a second total current sensor for detecting the currents or the total current by a third and a fourth current path, the evaluation device being designed to receive and evaluate signals from the first total current sensor and the second and third current sensors or the second total current sensor. 6. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem zweiten Mikrorelaisschalter (1 ') in dem zweiten Strompfad (8'), bei der die Auswerteeinrichtung (7) auch den zweiten Mikrorelaisschalter (1 ') ansprechend auf das Resultat der Auswertung öff- net.6. Electrical residual current protection switching device according to one of the preceding claims with a second microrelay switch (1 ') in the second current path (8'), in which the evaluation device (7) also opens the second microrelay switch (1 ') in response to the result of the evaluation - net. 7. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 6 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2, 3, 5 mit zumindest einem dritten Mikrorelaisschalter in zumindest dem dritten Strompfad, bei der die Auswer- teeinrichtung auch zumindest den dritten Mikrorelaisschalter ansprechend auf das Resultat der Auswertung öffnet.7. Electrical residual current protection switching device according to claim 6 in conjunction with one of claims 2, 3, 5 with at least one third microrelay switch in at least the third current path, in which the evaluation device also opens at least the third microrelay switch in response to the result of the evaluation. 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.8. Electrical residual current protection switching device according to claim 4 or 5, also in connection with claim 6 or 7, in which the current sensor or sensors (5, 5 ') or total current sensors are formed by Hall sensors. 9. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1 , 1 ') jeweils eine spannungsteilend wirkende Serienschaltung von Mikrorelaiszellen (3) aufweisen.9. Electrical residual current protection switching device according to one of the preceding claims, wherein the one or more microrelay switches (1, 1 ') have a voltage-dividing series circuit of microrelay cells (3). 10. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1 ,1 ') jeweils eine stromteilend wirkende Parallelschaltung von Mikrorelaiszellen (3) aufweisen. 10. Electrical residual current protection switching device according to one of the preceding claims, wherein the one or more microrelay switches (1, 1 ') have a current-dividing parallel connection of microrelay cells (3). 11. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1 ,1') jeweils zumindest ein Mikrorelais (3) mit einem in elektrostatischer Weise mechanisch bewegten Kontaktstück (4) aufweisen.11. Electrical residual current protection switching device according to one of the preceding claims, in which the one or more microrelay switches (1, 1 ') each have at least one microrelay (3) with a mechanically moved contact piece (4). 12. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (7) die Signale des oder der Stromsensoren (5, 5') bzw. der Gesamtstromsensoren ferner jeweils mit einem Überstromschwellenwert vergleicht und den oder die Mikro- relaisschalter (1 , 1 ') ansprechend auf das Resultat dieses Vergleichs öffnet.12. Electrical residual current protection switching device according to one of the preceding claims, in which the evaluation device (7) further compares the signals of the current sensor (s) (5, 5 ') or the total current sensors with an overcurrent threshold value and the micro relay switch (s) (1 , 1 ') opens in response to the result of this comparison. 13. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter, die Auswerteeinrichtung und gegebenenfalls die Hall-Sensoren jeweils als Chips auf ei- ner Platine integriert sind.13. Electrical residual current protection switching device according to one of the preceding claims, in which the micro-relay switch or switches, the evaluation device and optionally the Hall sensors are each integrated as chips on a circuit board. 14. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1,1') und die Auswerteeinrichtung (7) auf einem Chip (6) integriert sind.14. Electrical residual current protection switching device according to one of the preceding claims, in which the one or more microrelay switches (1, 1 ') and the evaluation device (7) are integrated on a chip (6). 15. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 3 oder 8, auch in Verbindung mit einem der Ansprüche 9-13, bei der die Auswerteeinrichtung (7) und die Hall-Sensoren (5, 5') auf einem Chip (6) integriert sind.15. Electrical residual current protection switching device according to claim 3 or 8, also in connection with one of claims 9-13, in which the evaluation device (7) and the Hall sensors (5, 5 ') are integrated on a chip (6). 16. Elektrische Fehlerstromschutz-Schalteinrichtung nach Anspruch 3 oder 8, auch in Verbindung mit einem der Ansprüche 9-13, bei der der oder die Mikrorelaisschalter (1 , 1 '), die Auswerteeinrichtung (7) und die Hall-Sensoren (5, 5') auf einem Chip (6) integriert sind. 16. Electrical residual current protection switching device according to claim 3 or 8, also in connection with one of claims 9-13, in which the or the micro-relay switch (1, 1 '), the evaluation device (7) and the Hall sensors (5, 5th ') are integrated on a chip (6).
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