SCHUTZEINRICHTUNG IN ELEKTRISCH BETRIEBENEN GERÄTEN

Schutzeinrichtung in elektrisch betriebenen Geräten

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung mit einem durch einen Schaltstrom auslösbaren Trennschalter für den Primärstromkreis elektrisch betriebener Geräte kleiner Leistungsaufnahme, wie sie in Haushalt und Werkstatt verwendet werden. Geräte dieser Art sind zB tragbare Haartrockner, tragbare Heizlüfter, Bestrahlungslampen, Rasierapparate u.dgl.

Dabei wird unter "Schaltstrom" der von einer beliebigen Steuerschaltung im Gefahrfalle einmalig zur Auslösung des Trennschalters gelieferte Strom verstanden. Der ausgelöste Schalter ist nicht wieder verwendbar.

Ein solcher Schalter dient als Schutz für den Benutzer gegen einen Stromschlag. Eine besondere Gefahr bei der Benutzung tritt dann auf, wenn ein solches Gerät einen Masseschiuß hat oder mit Wasser in Berührung kommt. So kann es zB im Badezimmer zu einem tödlichen Unfall kommen, wenn ein Haartrockner, auch wenn er nicht in Betrieb ist, ins Wasser fällt.

Die elektrophyslologlschen Grundlagen des Schutzes vor einem Stromtod bei unsachgemäßem Gebrauch eines Elektrogerätes in Naßzellen sind in Anlehnung an das IEC-Dokument 479 ausführlich erläutert in etz Bd. 104 (1983), Seite 130 ff. Danach besteht keine pathophyslologisch gefährliche Wirkung, wenn ein Körperstrom von 330 mA, wie er in einer Badewanne beim Hineinfallen zB eines Haartrockners auftreten kann, nicht länger als 35 msec andauert (aaO, Bild 3). Nach dem Stand der Technik sind Schutzeinrichtungen verschiedener Art bekannt, die bei einem Kontakt stromführender elektrischer Bauteile eines Gerätes mit Feuchtigkeit eine sofortige Abschaltung der Stromzufuhr bewirken und dadurch einen elektrischen Schlag verhindern sollen. Im Prinzip arbeiten sie mit einer im Gerätegehäuse untergebrachten Sonde, die beim Eindringen von Feuchtigkeit ihren elektrischen Impedanzwert ändert und dadurch in einer Zündschaltung über einen Halbleiterschalter einen Schaltstrom erzeugt, der den Trennschalter auslöst.

In der Schutzeinrichtung nach der DE-A 3208147 wird ein Trennschalter mit ohmscher Auslösung verwendet: Der Schaltstrom brennt einen Schmelzdraht durch, der einen zweipoligen Kontaktfedersatz In Schließstellung hält, so daß die Rückstellkräfte der Kontaktfedem die Kontakte aufspringen lassen. Ein solcher selbstöffnender mechanischer Trennschalter spricht trägheitsarm an, Probleme ergeben sich jedoch bezüglich der Lichtbogenlöschung und des ungewollten Auslösens durch Stoß bei der Miniaturisierung des Schalters, die notwendig ist, um die Schutzeinrichtung samt Trennschalter im Gerätegehäuse unterbringen zu können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schalterkonstruktion zu finden, die ohne bewegliche Kontaktteile auskommt, alterungsbeständig und stoßunempfindlich ist und zusammen mit der Zündschaltung ebenfalls eine Minlaturisierung in einem kompakten Bauteil ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem kontaktlosen

Trennschalter gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.

Da erfindungsgemäß ein Schaltelement verwendet wird, das für einen Betriebsstrom wesentlich kleiner als der auslösende Schaltstrom der Steuerschaltung ausgelegt ist, wird seine Durchschlagfestigkeit weit überschritten mit der Folge, daß sein Gehäuse aufreißt. Infolge dessen werden der oder die auf dem Gehäuse körperlich, zB als Leiterbahnen aufgebrachten oder unmittelbar an ihm entlang geführten Leitungsabschnitte aufgetrennt.

Wie Versuche ergeben haben, eignen sich als auslösende Schaltelemente gleichermaßen Elektrolytkondensatoren kleiner Kapazität, ohmsche Masse- und Schichtwiderstände kleinen Widerstandswertes und auch kleine Dioden, alles Teile, wie sie In einschlägigen gedruckten Schaltungen verwendet werden. Unter Beachtung der Grenzbedingung der maximal zulässigen Abschaltverzögerung lassen sich die Parameter des Schaltelements zusammen mit denen der auslösenden Steuerschaltung, zB der erwähnten Zündschaltung mit Halbleiterschalter, entsprechend anpassen. Dabei kann auch deren Zerstörung in Kauf genommen werden, da die gesamte Schutzeinrichtung, wenn sie ihren Zweck erfüllt hat, als komplettes Bauteil ausgewechselt werden muß.

Unter Fertigungsgesichtspunkten Ist die Steuerschaltung, deren Fertigung zB als Leiterplatte keinerlei Probleme bringt, Teil des Trennschalters. Ein solches Bauteil ist absolut schocksicher. Es werden keinerlei aufwendige und teure Fertigungsmlttel , wie sie für eine automatische Massenfertigung eines beweglichen mechanischen Spezialschalters erforderlich wären, benötigt.

Auch die Endprüfung bereitet keinerlei Schwierigkeiten, da die Steuerschaltung unt Leiterbahnen einerseits und des Schaltelements andererseits einzeln auf ihre vorgegebenen Betriebswerte geprüft werden können, bevor letzteres In die Leiterplatte eingesetzt wird.

Nähere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Beispielen für Trennschalter nach der Erfindung. In der Zeichnung zeigen In schematlscher Darstellung und vergrößertem Maßstab Fig. 1 einen kontaktlosen Trennschalter mit einem kapazitiven Schaltelement,

Fig. 2 eine Ausführungsform mit einem zylindrischen Massewiderstand als Schaltelement,

Flg. 3 eine Ausführungsform mit einem pillenförmlgen Widerstand oder einer Diode als Schaltelement und

Fig. 4 einen Schnitt durch die Ausführung nach Fig. 3 längs des Leiters 4,

Fig.5 ein zündfähiges tablettenförmlges Schaltelement,

Fig.6 ein zündfähiges strangförmiges Schaltelement;

Fig. 7 einen Stromlaufplan einer Steuerschaltung für einen kapazitiven Trennschalter nach Fig. 1,

Fig.8 einen Stromlaufplan einer Steuerschaltung für Schaltelemente nach Fig.2 bis 6.

In der folgenden Beschreibung eines Trennschalters mit kapazitivem Schaltelement gem. F1g. 1 wird der verwendete Elektrolytkondensator kurz als "Elko" bezeichnet.

Der besondere Vorteil eines kapazitiven Schaltelements ist, daß der Ladestrom i einer Kapazität C über einen Vor- oder Quellwiderstand R, dessen zeitlicher Verlauf durch mit

Die elektrischen Werte der Elkos können In breiten Grenzen, zB zwischen 1 und 10 μF und 10 bis 100 Volt Hegen. Da ihre Betriebsspannung wesentlich kleiner ausgelegt ist als die Ausgangsspannung der Steuerschaltung des jeweiligen Gerätes, wird die Durchschlagfestigkeit des Elektrolyten weit Überschritten mit der Folge, daß ihr Gehäuse aufreißt. Infolge dessen werden die beiden auf den Gehäusen aufgebrachten oder unmittelbar an ihnen entlang geführten Leitungsabschnitte 3a, 4a aufgetrennt. Ein weiterer Vorteil ist dabel, daß der aus den Gehäusen freiwerdende Berstdruck einen etwa sich ausbildenden Lichtbogen ausbläst.

Der Trennschalter kann auch mit nur einem Elko (23 in Fig. 7) ausgeführt werden. - In einer Sonderausführung kann auch der einzelne Flachleiter auf dem Gehäuse des Elkos aufgebracht und zum Sockel herumgeführt und dort an zwei weitere Anschlußstifte (neben denen der beiden Kondensatorbeläge) angeschlossen sein. Ein solcher Elko hat dann in der Ein!elter-Ausführung vier bzw. in der Zweileiter-Ausführung sechs Stifte im Sockel.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist oberhalb und unterhalb der Leiterplatte 30 je ein ohmscher Widerstand 32 angeordnet, von denen nur der obere Widerstand 32a sichtbar ist. Um den zylindrischen Widerstandskörper ist je einer der Abschnitte 3a, 4a schraubenförmig herumgewickelt. Der Umschlingungswinkel muß mindestens 270° betragen, da der Ort, an dem der Mantel aufgesprengt wird, nicht bekannt ist, - es sei denn, bei einer Spezialfertlgung wird eine Sollbruchstelle vorgesehen. Die elektrischen Werte der Widerstände lagen bei Versuchen In breiten Grenzen zwischen 1 und 15 Ohm und 0,1 bis 0,5 Watt. Der Trennschalter kann auch mit nur einem Widerstand - dann 1n Sonderausführung - ausgeführt werden.

Die Leiterplatte 30 trägt zweckmäßig auch die Schal telemente einer Steuerschaltung und die Anschlüsse eines Netzkabels und ist in einem Schaltergehäuse gekapselt mit einem geringen Freiraum vor den Widerständen. Die Abmessungen Hegen in den Grenzen 20 x 20 x 10 mm.

In der Ausführungsform nach Fig. 3, 4 ist die Grundplatte 40 des Schalters mit zwei Löchern 41 versehen. Auf der Ober- und Unterseite und über die Löcher 41 ist je eine der aufzutrennenden Leitungen 3, 4 verlegt; im Bereich der Löcher bilden sich die ggf. im Querschnitt zu einer Sollbruchstelle verengten Leitungsabschnitte 3a und 4a (nicht sichtbar) aus. In die Löcher eingelegt ist je ein kleiner Widerstand 42. Es bilden sich kleine "Sprengkammern", so daß - Insbesondere wenn die Platte 40 noch mindestens im Bereich der Abschnitte 3a, 4a außen abgedeckt wird (Sandwich) - bereits geringe Drücke genügen, um bei Zerstörung der Widerstände 42 die Abschnitte 3a, 4a aufzureißen.

Die Wechselständige Anordnung nach Fig. 3 bietet bei kleinsten Abmessungen ausreichende Isolatlonsabstände zwischen den Netzleitungen 3, 4 und Schutz vor einer Lichtbogenbildung. Es können aber auch beide Leitungen auf derselben Plattenseite angeordnet sein. Fig. 3, 4 sollen lediglich die Kleinheit der Schaltelemente (Widerstand oder Dioden) andeuten, nicht Ihre Form wiedergeben. Es eignen sich zB plllenförmige Widerstände für 1/16 Watt Leistung (Abmessungen ca. 1,5 x 2,5 mm) oder Dioden für 1,6 bis 2 Volt Betriebsspannung (Abmessungen ca. 2 x 4 mm). -

Die Dioden sind in ihrer Wirkungsweise den Elektrolytkondensatoren vergleichbar.

Die Auslösung kann mittels Gleichstrom oder Wechselstrom erfolgen. Die diesen Schaltstrom Im Störfalle erzeugende Steuerschaltung Ist nach dem jeweiligen Anwendungsfall zu entwerfen.

Für den Fall des Benutzerschutzes in Feuchträumen zeigen die Fig.7 und 8 zwei Schaltungsbeispiele.

In dem Stromlaufplan nach Fig. 7 führen von den Klemmen 1, 2, an die die Adern einer Netzzuleltung 9 angeschlossen sind, die geräteinternen Netzleitungen 3, 4 zu den Klemmen 5, 6,an die die Verbraucherlast des Gerätes angeschlossen ist. Mit dem gestrichelten Rahmen 10 ist die wasserdichte Kapsel angedeutet. Innerhalb deren sich die Schutzeinrichtung einschließlich des Anschlusses der Netzzuleitung befindet. Zwischen die Netzleitung 3, 4 Ist ein Diodenquartett 13-16 geschaltet, in dessen einer Diagonalen ein Thyristor 17 in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand 18 und dem Elko 23 (oder einer Parallelschaltung zweier Elkos 23.1 und 23.2, Fig.1) des Trennschalters Hegt. (Der Thyristor 17 ist mit Kondensatoren und einem Widerstand gegen Fehl- und Rückzündungen beschaltet.) Mit 3a, 4a sind die kurzen Leitungsabschnitte bezeichnet, die in mechanischer Verbindung mit dem Gehäuse des Elkos 23 stehen. Diese Wirkverbindung Ist mit der gestrichelten Linie 25 angedeutet.

An die Klemmen 7, 8 ist die Doppelleitung einer Feuchtigkeitssonde 24 angeschlossen, die im Gerät, zB einem Haartrockner, verlegt ist. Die Klemmen sind über hochohmige Schutzwiderstände 21 , 22 mit der Diagonalen verbunden, in der der Thyristor 17 Hegt.

Sobald die Impedanz der Sonde 24 durch einen Wassereinbruch stark abfällt, zündet der Thyristor 17 und schaltet den Elko

23 an die Gleichspannung des Diodenquartetts (Diagonale 13-16). Der Kurzschlußstrom sprengt das Elkogehäuse, dadurch werden die Abschnitte 3a, 4a aufgetrennt, so daß das Gerät samt der Schutzeinrichtung zweipolig spannungsfrei abgeschaltet wird.

In dem vereinfachten Stromlaufplan nach Fig.8 sind wieder mit 3a, 4a die kurzen Leitungsabschnitte bezeichnet, die hier in mechanischer Wirkverbindung mit den Gehäusen zweier Widerstände 32a, 32 b stehen (vgl. Flg.2). Diese Verbindung ist gestrichelt angedeutet. Die Widerstände sind in Parallelschaltung und in Reihe mit einem Triac 37 und einem Strombegrenzungswiderstand 38 zwischen die beiden Netzleitungen 3, 4 geschaltet. An die Zündelektrode des Triac ist eine Feuchtigkeitssonde 24 angeschlossen, die im Gerätegehäuse verlegt ist. (Einzelheiten sind in der erwähnten DE-A 32 +8147, Fig. 1, beschrieben.)

Um sicherzugehen, daß der auftretende Schaltstrom nicht die der Netzzuleitung 9 vorgeschaltete Stromkreissicherung des Netzes auslöst, kann in Reihe mit den Begrenzungswiderständen 18 bzw. 38 eine flinke (Glas-) Sicherung vorgesehen werden, wie sie in Elektrogeräten üblich sind.

Vorteilhafter Ist es, die Schalterkonstruktion so auszulegen, daß nur ein sehr kleiner Schaltstrom zur Auslösung benötigt wird. Damit wird auch die Steuerschaltung, insbesondere deren Halbleiterschalter weniger belastet. Dies läßt sich erreichen, wenn in Weiterbildung der Erfindung dem auslösenden Wlderstands- element eine zündfähige Substanz hinzugefügt wird, deren Verpuffung den Druck zum Auftrennen des Leiterabschnitts liefert. Solche Substanzen stehen in reicher Zahl zur Verfügung.

Ein metallisches Widerstandselement 44, zB ein kurzer dünner Widerstandsdraht, wird in ein offensives Pulver, zB auf Nitrozellulosebasis, eingebettet, das zu einer kleinen Tablette 43 (Fig.5) gepreßt wird. Diese Tablette wird wie der Widerstand 42 in Fig. 3, 4 in das Loch 41 In der Platte 40 eingesetzt, die dann darüber mit einer Abdeckung 45 kaschiert wird.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die Netzleitungen 3, 4 über mehrere Löcher 41 geführt, so daß sich eine entsprechende Anzahl Abschnitte 3a, 4a bilden, und über diese Löcher ist eine Sprengschnur 46 (Fig. 6) - zB ein mit Sprengmehl gefüllter oder getränkter Faserstrang - verlegt, die bei Schalterauslösung an einem oder beiden Enden von einem Glühzünder, einem kurzen dünnen Widerstandsdraht 44 gezündet wird. - Mit dieser Anordnung läßt sich durch Vermehrung der Trennstellen die Sicherheit der Auslösung erhöhen und die Gefahr einer Lichtbogenbildung verringern.

Die Erfindung ist nicht nur in die eingangs behandelten "Feuchtraumgeräte" einsetzbar, sondern in allen Fällen, wo der Benutzer durch Fehler am Gerät oder seiner Netzzuleitung gefährdet ist und mittels einer in das Gerät oder seinen Netzstecker eingebauten Schutzeinrichtung geschützt werden kann.