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Beschreibung:
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Die Erfindung befaßt sich mit thermischen Zeitschaltern mit den im
Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiger Zeitschalter ist
aus dem DE-GM 79 20 923 bekannt.
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Ein solcher Zeitschalter eignet sich für einfache Anwendungen, in
denen der Widerstand im Normalbetriebszustand permanent von Strom durchflossen wird.
Imine Störung des Normalbetriebszustandes kann in einem Absinken bzw. Ausbleiben
des Stromes oder auch in einem Ansteiyen des Stromes, der durch den Dickschichtwiderstand
fließt, bestehen. Im ersten Fall wird der Zeitschalter so ausgelegt, daß die Schalttemperatur
des Bimetallelements unter der Normalbetriebstemperatur liegt, während sie im zweiten
Fall über der Normalbetriebstemperatur liegt. In beiden Fällen erfolgt das Umschalten
als Reaktion auf die Betriebsstörung mit einer zeitlichen Verzögerung, die von der
thermischen Trägheit der Schalterkomponenten, insbesondere des. Dickschichtwiderstandes,
des Gehäuses und des Bimetallelements abhängt, Ein solcher Zeitschalter eignet sich
ferner für solche Anwendungen, bei denen der Dickschichtwiderstand im Normalfall
nicht vom Strom durchflossen wird und dabei Umgebungstemperatur aufweist; wenn
dann
der Dickschichtwiderstand nach Betätigen eines Schalters von Strom durchflossen
wird, steigt die Temperatur des Zeitschalters an und bei Überschreiten der oberhalb
der Umgebungstemperatur liegenden Schalttemperatur des Zeitschalters schaltet dieser
um.-Zum Beispiel kann der Dickschichtwiderstand so im Stromkreis eines elektrischen
Gerätes angeordnet sein, das beim Einschalten des Gerätes der Dickschichtwiderstand
vom Strom durchflossen wird und nach Überschreiten der Schalttemperatur der Zeitschalter
das Gerät einschaltet und nach Unterbrechen der Heizung mit Verzögerung wieder automatisch
ausschaltet. In dieser Weise kann der Zeitschalter z.B. in elektrischen Lüftern
verwendet werden.
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Wegen der nur geringen Wärmeentwicklung des Dickschichtwiderstandes
werden auch bei permanenter Widerstandsheizung die Temperaturen auf ein verhältnismäßig
niedriges und problemloses Niveau begrenzt. Um dennoch den Bimetalltemperaturschalter
hinreichend zuverlässig betreiben zu können, muß dieser hinreichend klein sein und
eine gute Wärmeübertragung ermöglichen. Die Wahl eines flachen Kunststoffgehäuses
für den Blmetalltemperaturschalter, auf dessen einer Breitseite sich der Dickschichtwiderstand
befindet, geht aus von der Erkenntnis, daß zwar das Kunststoffgehäuse
ein
schlechter Wärmeleiter ist, daß aber die geringe Wärmekapazität des Kunststoffgehäuses
wichtiger ist, wenn es darum geht, trotz geringer Wärmezufuhr oder bei Abkühlung
des Schalters die Schalttemperatur nicht zu langsam zu erreichen.
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Im einfachsten Falle klebt man den Dickschichtwiderstand, der üblicherweise
in Gestalt einer dünnen beschichteten Sinterkeramikplatte vorliegt, mit der beschichteten
Seite außen auf das Gehäuse des gekapselten Bimetalltemperaturschalters auf. Er
kann jedoch auch im Gehäuse auf der Gehäuseinnenwand angebracht sein. Diese Anordnung
hat den Vorteil, daß man mit äußerst geringer Wärmeerzeugung im Dickschichtwiderstand
arbeiten kann und daß Schwankungen der Umgebungstemperatur in ihrem Einfluß auf
das Ansprechverhalten des Zeitschalters herabgesetzt sind.
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Anstatt den Dickschichtwiderstand auf das Gehäuse aufzukleben, kann
man ihn auch lose auf das Gehäuse auflegen und dann beide gemeinsam mit einem Silikonschlauch
umgeben, der sie fest zusammenhält.
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Anstatt die Sinterkeramikplatte mit der beschichteten Seite auf das
Gehäuse aufzulegen, kann man sie auch umgekehrt mit nach außen
weisender
Schichtsei.te anordnen. Dies hat den Vorteil, daß die Wärme, die im Dickschichtwiderstand
erzeugt wird, gleichmäßiger auf das Gehäuse übertragen und die Möglichkeit einer
lokalen Überhitzung ausgeschlossen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem solchen Zeitschalter
einfachster Bauart die Ansprechgeschwindigkeit auf besonders einfache Weise zu steigern,
vor allem für Fälle wo die Schalttemperatur oberhalb der Normalbetriebsteeratur
liegt, und zwar insbesondere dann, wenn der Zeitschalter sich normalerweise auf
Umgebungstemperatur befindet, also im Normalzustand der Dickschichtwiderstand nicht
von Strom durchflossen ist. Wollte man allein mit einem Dickschichtwiderstand die
Ansprechgeschwindigkeit erhöhen, dann müßte man dazu den Strom steigern, der durch
den Dickschichtwiderstand fließt, bzw. müßte den ohmschen Widerstand des Dickschichtwiderstands
verkleinern. Dadurch kann die sich.
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bei konstantem Stromfluß einstellende Gleichgewichtstemperatur erheblich
über der zulässigen Höchsttemperatur des Kunststoffgehäuses liegen, sodaß dieses
Schaden nehmen kannç Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe sehr elegant dadurch,
daß zusätzlich zum Dickschichtwiderstad ein Kaltleiter (PTC-Widerstand = Widerstand
mit positivem Temperaturkoeffizienten)
vorgesehen wird, der in Reihe
mit dem Dickschichtwiderstand verbunden ist. Bei Einsatz eines zusätzlichen Kaltleiters,
der mit dem Dickschichtwiderstand in Serie verbunden ist, kann man einen kleineren
Dickschichtwiderstand wählen und dennoch-eine Überhitzung des Gehäuses vermeiden,
weil zunächst bei niederer Temperatur der ohmsche Widerstand des RAtleiters im Bereich
unterhalb des Curie-Punktes relativ klein bleibt und sich nicht stark ändert. Erst
wenn die Temperatur des Kaltleiters den Curie-Punkt erreicht, erfolgt ein so starker
Anstieg des Wierstandes, dan die Wärmeentwicklung gebremst wird. Dabei soll die
Schalttemperatur des Zeitschalters unterhalb des Curie-Punktes liegen, damit die
Schalttemperatur auch sicher erreicht wird (Anspruch 2), und außerdem sollte der
Curie-Punkt des Kaltleiters nicht oberhalb der zulässigen Höchsttemperatur des Gehäuses
liegen (Anspruch 3), damit dieses vor den Auswirkungen einer zu hohen Temperatureinwirkung
geschützt ist.
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Kalt leiter haben unvermeidliche Schwankungen ihrer Widerstandswerte.
Diese beeinflussen natürlich die Ansprechzeit des Zeitschalters und führen zu einer
Streuung der Ansprechzeiten. Diese Streuung kann man gering halten, wenn man den
ohmschen Widerstand des Kaltleiters bei Umgebungstemperatur wesentlich niedriger
wählt dls den ohmschen Widerstand des Dickschichtwiderstandes, der nur mit geringen
Toleranzen behaftet ist (Anspruch 4).
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In einem praktischen Beispiel erreicht ein Schalter mit einem 40 k
Q -Dickschichtwiderstand, der an 220 Volt elektrische Spannung angeschlossen ist,
ausgehend von einer Umgebungstemperatur von 200C seine vorgegebene Schalttemperatur
von 1000C nach einer Ansprechzeit von etwa 2 Minuten. Das Gehäuse erreicht dabei
eine Endtemperatur von 150 C, die noch zulässig ist. Ersetzt man den 40 k Q -Dickschichtwiderstand
durch einen solchen, der nur 20 kfl aufweist, -dann erreicht der Schalter die Schalttemperatur
von 1000C nach etwa 1 Minute, jedoch steigt die Endtemperatur des Gehäuses auf eine
Temperatur von 2200C, was unzulässig ist. Schaltet man mit dem 20 k n -Dickschichtwiderstand
einen Kaltleiter in Serie, der einen Curie-Punkt von 1500C und bei Normaltemperatur
einen ohmschen Widerstand von 2,4 kl + 20 '» besitzt, dann erreicht der Schalter
seine Schalttemperatur von 100°C nach etwas mehr als 1 Minute und die Endtemperatur
des Gehäuses liegt kaum oberhalb 1500C auf einem zulässigen Wert. Die Streuung der
Widerstandskennwerte der Kaltleiter von + 20 °S führt jedoch bei der gewählten Bemessung
nur zu einer Streuung der Ansprechzeiten des Zeitschalters von + 2 °S und ist für
einfache Anwendungen vernachlässigbar.
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Der Kaltleiter befindet sich vorzugsweise auf demselben Träger
wie
der Dickschichtwiderstand (Anspruch 5). Z.B. kann sich der Dickschichtwiderstand
auf der Innenseite einer Gehäusewand befinden, während sich der Kaltleiter auf der
Außenseite derselben Gehäusewand befindet. Beide können aber auch auf einer gemeinsamen
Trägerplatte außerhalb des Gehäuses liegen.
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Zur weiteren Eintellung der Ansprechzeiten wird vorzugsweise ein einsteLbarer
Dickschichtwiderstand verwendet (Anspruch 7), insbesondere ein als Drehpotentiometer
ausgebildeter Dickschichtwiderstand (Anspruch 8), dessen mit der beschichteten Seite
nach außen weisende Sinterkeramikplatte mit der unbeschichteten Seite auf einer
Breitseite des Gehäuses aufliegt.
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Ein transparentes oder transluzentes Gehäuse empfiehlt sich, wenn
auch Wärmestrahlung nennenswert zur Erwärmung bzw. Abkühlung des Bimetallelements
beitragen soll.
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Ein rasches Ansprechen des Zeitschalters wird auch dadurch gefördert,
sich daß/das Bimetallelement des Schalters auf der dem Dickschichtwidrstand zugewandten
Seite des Schalters befindet.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in den zwei
beigefüyten Zeichnungen dargestellt, F i g . 1 ist ein senkrecht durch die Breitseiten
des Gehciuses gelegter Längsschnitt durch einen Zeitschalter, und F i 9 . 2 ist
ein Schnitt analog Fig. 1 durch einen Zeitschalter mit einstellbarem Dickschichtwiderstand.
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Der Zeitschalter gemäß Fig. 1 besteht aus einem in ein Gehäuse 8 gekapselten
Bimetalltemperaturschalter und einem Dickschichtwiderstand 12, der mit seiner mit
der Wibrstandsbahn beschichteten Seite mit einer Breitseite des Gehäuses 8 verklebt
ist. In Fig. 1 sind die Enden der zur Widerstandsbahn führenden Leiterbahn 13 auf
dem plattenförmigen Träger des Dickschichtwiderstandes zu sehen; sie sind über zwei
Lötpunkte 14 mit elektrischen Zuleitungen 15 verbunden.
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Das Gehäuse 8 besteht aus formbeständigem, transparentem Kunststoff,
vorzugsweise aus Polybutylenterephtalat, Auf der vom Dickschichtwiderstand 12 entfernt
liegenden Gehäuseinnenseite (Breitseite
) verläuft eine elektrische
Zuleitung 3 zum unbeweglichen Kontaktstück 4. Über der Zuleitung 3 ist etwa in der
Gehäusemitte die Kontaktfeder 1 mit dem beweglichen Kontaktstück 2 an ihrer Spitze
angeordnet. Die Kontaktfeder 1 und die Zuleitung 3 werden durch zwei in das Gehäuse
8 eingeschobene Füllstücke 6 und 7 aus Kunststoff eingespannt und auf Distanz gehalten.
Die Gehäuseöffnung, welche an dem von den Kontaktstücken 2 und 4 entfernten Gehäuseende
liegt, ist durch eine Gießharzmasse 9 ausgefulle, durch die die beiden Zuleitungen
10 zum Bimetalltemperaturschalter herausgeführt sind.
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Aus der Kontaktfeder 1 sind zwei Laschen 11 ausgestanzt und hakenförmig
nach oben gebogen. Sie halten zwischen sich eine Bimetallschnappscheibe 5, die lose
auf der Außenseite der Kontaktfeder 1 liegt und damit nur durch die obere transparente
Gehäusewand von der beschichteten Seite des Dickschichtwiderstandes 12 getrennt
ist. Unter einer Schnappscheibe versteht man ein in eine gekrümmte Form geprägtes
Bimetallelement, welches bei Überschreiten oder Unterschreiten einer Schalttemperatur
abrupt seine Krümmung von konkav zu konvex oder umgekehrt wechselt. Zur Erhöhung
der Ansprechgeschwindigkeit weist die Schnappscheibe 5 mit ihrer aktiven Seite nach
außen. Unter der aktiven Seite desBimetallelements wird die
Seite
verstanden, die aus dem Material mit dem größeren Weirmeausdehnungskoeffizienten
besteht. Wendet man diese Seite der Wärmequelle zu, so wird mit ihr bevorzugt jene
Seite erwärmt, welche in erster Linie für das Ändern der Krümmung verantwortiich
ist.
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Der Zeitschalter läßt sich sehr kompakt herstellen. Bewährte Abmessungen
sind: Länge 15-2O rnrn, Breite 5-8 mm, Dicke ca. 3-4 mm.
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Zusätzlich zum Dickschichtwiderstand 12 ist auf dessen Rückseite ein
Kaltleiter 16 vorgesehen. Der Kaltleiter 16 kann auf der keramischen Trägerplatte
des Dickschichtwiclerstandes 12 aufgeklebt und/oder durch einen nicht dargestellten
Silikonschlauch, der den kompletten Zeitschalter straff umschließt, befestigt sein.
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Der Kaltleiter 16 ist mit dem Dickschichtwiderstand 12 über lediglich
schematisch angedeutete Verbindungsleituns3en 3V elektrisch in Serie verbunden.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Zeitschalter sind Teile, die Teilen des
Zeitschalters aus Fig. 1 entsprechen, mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.
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Der in Fig. 2 gezeigte Zeitschalter unterscheidet sich von dem in
Fig. dargestellten Zeitschalter darin, daß der Dickschichtwiderstand 12 als Drehpotentiometer
ausgebildet ist; deshalb weist bei dieser Ausführungsform der Dickschichtwiderstand
mit seiner Schichtseite, welche den Einstelldrehknopf 18 trägt, nach außen und.
der PTC-Widerstand 16 ist auf der gegenüberliegenden Breitseite des Gehäuses 8 angeordnet.
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