Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-A-19504561), bei der die Stromunterbrechung im Falle eines z.B. kurzschlußbedingten Überstroms durch ein Schmelzelement erfolgt. Solche Sicherungen werden z.B. auch zur Absicherung der Hochstromversorgung des Bordnetzes von Kraftfahrzeugen verwendet. Der Eingangsanschluß der Sicherung ist dabei mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie, deren Ausgangsanschluß ist mit dem Bordnetz verbunden.
Problematisch bei Schmelzsicherungen allgemein ist ihr Auslöseverhalten. Die Zeitdauer, die bis zum Auslösen der Sicherung bzw. bis zum Durchschmelzen des Schmelzelements vergeht hängt u.a. von der Größe des Überstroms ab. Je größer dieser ist, desto kürzer ist die Auslösezeit. Die Auslösezeit hängt auch von der Größe der Sicherung bzw. von deren Sicherungswert ab. Bei gleichem Überstrom löst beispielsweise eine 70 A - Sicherung schneller aus als eine 100 A - Sicherung. Eine nicht nur in der Fahrzeugelektrik gewünschte Verkürzung der Auslösezeit durch Einsatz schwächerer Sicherungen ist aber wegen der damit verbundenen Gefahr von Fehlauslösungen bei herkömmlichen Sicherungen nicht möglich.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß beispielsweise aufgrund hochohmiger Leitungsverbindungen oder einer schadhaften oder nicht ausreichend geladenen Batterie der über die Sicherung fließende Strom nicht ausreicht, um das Schmelzelement zum Schmelzen zu bringen oder dass der Strom zu gering ist, um ein Durchschmelzen in genügend kurzer Zeit zu bewirken. Eine Schädigung des elektrischen Systems ist die Folge.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Sicherung vorzuschlagen, die ein verbessertes Auslöseverhalten zeigt. Diese Aufgabe wird durch eine Sicherung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Danach sind zwei parallele, den Eingangs- und Ausgangsanschluß der Sicherung miteinander verbindende Strompfade, nämlich ein Hauptstrompfad und ein Teilstrompfad, ein einziges Schmelzelement und ein Schalter vorgesehen, wobei das Schmelzelement im Hauptstrompfad und der Schalter im Teilstrompfad angeordnet ist. Der Schalter ist so ausgelegt, daß er bei Überschreitung vorgegebener Grenzwerte des die Sicherung durchfließenden Stroms und/oder der Temperatur des Schmelzelements öffnet. Während bei herkömmlichen Sicherungen mit einem Schmelzelement der gesamte Strom über das Schmelzelement abfließt, erfolgt erfindungsgemäß eine Stromteilung. Der über den Hauptstrompfad bzw. über das Schmelzelement fließende Strom ist um den über den Teilstrompfad fließenden Strom verringert. Somit kann in den Hauptstrompfad eine Sicherung mit einem geringeren Sicherungswert eingesetzt werden. Wenn beispielsweise für die Absicherung eines Verbrauchers oder eines Bordnetzes, eine 100 A-Sicherung notwendig ist, so kann eine 80 A-Sicherung eingesetzt werden, wenn der Teilstrompfad so ausgelegt ist, daß 20% des Gesamtstromes über ihn abfließen. Bei gleichem Stromwert ist die Auslösezeit bei einer schwächeren Sicherung geringer als bei einer stärkeren Sicherung. Der Schalter des Teilstrompfades ist nun so ausgelegt, daß er im Falle eines beispielsweise durch einen Kurzschluß im elektrischen System bewirkten Überstroms öffnet. Wenn der Schalter geöffnet ist, fließt der gesamte Überstrom über das Schmelzelement ab. Da aber aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung das Schmelzelement einen geringeren Sicherungswert aufweisen kann als normalerweise erforderlich, ist die Auslösezeit gegenüber der sonst eingesetzten stärkeren Sicherung verkürzt. Letztlich wird also durch eine erfindungsgemäße Sicherung der gleiche Effekt erreicht, wie wenn eine Sicherung mit einem geringeren Sicherungswert als erforderlich eingesetzt wird, wobei jedoch die Gefahr von Fehlauslösungen beseitigt ist.
Der Schalter im Teilstrompfad kann grundsätzlich so ausgelegt sein, daß er entweder bei Überschreitung eines vorgegebenen Stromwertes oder bei Überschreitung einer vorgegebenen maximalen Temperatur des Schmelzelements öffnet. Es können aber auch beide Parameter - Temperatur und Stromwert - gleichzeitig als Kriterien für das Öffnen des Schalters herangezogen werden. Als Schalter eignen sich beispielsweise Bimetallschalter, Halbleiterschalter oder mit "Polyswitch" bezeichnete Schaltelemente, deren Widerstand sich bei Erwärmung sprunghaft erhöht.
Die Schmelzsicherung und der im Teilstrompfad angeordnete Schalter sind, insbesondere wenn das Öffnungskriterium für den Schalter die Temperatur des Schmelzelementes ist, sandwichartig angeordnet, wobei der Schalter und das Schmelzelement mit zwei Kontaktflächen aneinanderliegen und in thermischen Kontakt stehen.
Vorzugsweise werden allgemein solche Elemente verwendet, die nach dem Durchschmelzen des Schmelzelements bzw. nach Abkühlung selbsttätig wieder schließen. Solche Schalter sind z.B. die oben erwähnten Schalter, also Bimetallschalter, Halbleiter und Polyswitch-Elemente. Bei einem Kraftfahrzeug hat dies folgenden Vorteil: Wenn im Falle eines Kurzschlusses die Stromversorgung des Bordnetzes ausgefallen ist, ist es einem Nichtfachmann in der Regel nicht möglich, die defekte Sicherung gegen eine neue auszutauschen. Dies schon allein deshalb nicht, weil die Hochlastsicherungen eines Kraftfahrzeuges in der Regel nur für das Fachpersonal einer Kfz-Werkstatt zugänglich sind. Wegen des stillgelegten Bordnetzes sind wichtige Fahrzeugfunktionen, etwa die Warnblinkanlage o.dgl. außer Betrieb gesetzt. Wenn jedoch nach dem Durchschmelzen der Sicherung der Schalter wieder schließt, ist nach Beseitigung der Kurzschlußursache das Bordnetz mit Strom versorgt. Der über den Schalter fließende Strom ist zwar wegen des erhöhten Widerstands des Teilstrompfades reduziert. Er reicht aber in der Regel aus, um Einrichtungen wie die Warnblinkanlage oder ein Bordtelefon in Betrieb nehmen zu können.
Bei einem andauernden Kurzschluß im Bordnetz wird ein thermosensitiver Schalter nach einer gewissen Zeit wieder öffnen, wenn aufgrund des Kurzschlusses ein überhöhter Strom über den Teilstrompfad fließt. Wenn jedoch die Quelle für den Kurzschluß entfernt ist, steht eine unterbrechungsfreie Versorgung des Bordnetz zur Verfügung, was bei herkömmlichen Sicherungssystemen nur nach Austausch des Schmelzelements der Fall ist.
Besondere Vorteile ergeben sich im Zusammenhang mit einem Mikroprozessor. Dieser kann zum einen den Schalter steuern. Dieser braucht somit beispielsweise nicht thermosensitiv ausgelegt sein. Die Temperatur des Schmelzelements kann durch einen Thermosensor abgegriffen und an den Mikroprozessor gemeldet werden, wobei dieser bei Überschreiten eines Temperatur-Grenzwertes den Schalter ansteuert. Denkbar ist auch, dass die Sicherung eine Strom-Meßvorrichtung umfaßt, die den Wert des aktuellen, die Sicherung durchffießenden Gesamtstroms an den Mikroprozessor weitergibt, wobei dieser bei Überschreiten eines Grenz-Stromwertes den Schalter ansteuert. Die Verwendung eines Mikroprozessors hat weiterhin den Vorteil, dass dieser an das Kontroll- und Überwachungssystem eines Fahrzeuges angeschlossen werden kann. So ist es beispielsweise denkbar, dass im Falle einer Airbag-Auslösung gleichzeitig auch der Schalter geöffnet wird, um im Falle eines Kurzschlusses im Bordnetz ein möglichst frühzeitiges Durchschmelzen des Schmelzelements zu erreichen. Schließlich kann ein Mikroprozessor dazu verwendet werden, beispielsweise eine Temperaturerhöhung im Bereich des Eingangs- bzw. Ausgangsanschlusses der Sicherung mit Hilfe eines Thermosensors zu detektieren. Wenn die genannten Anschlüsse beispielsweise infolge von Korrosion einen zu hohen Widerstand und dementsprechend eine erhöhte Temperatur aufweisen, kann dies dem Fahrer über ein Display am Armaturenbrett mitgeteilt werden, so dass dieser vorgewarnt ist und eine Werkstatt aufsuchen kann.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen:
Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, umfaßt eine erfindungsgemäße Sicherung einen Eingangsanschluß 1, einen Ausgangsanschluß 2, zwei parallele zwischen den beiden Anschlüssen angeordnete Strompfade, nämlich einen Hauptstrompfad 3 und einen Teilstrompfad bzw. Bypass 4, ein Schmelzelement 5 und einen Schalter 6. Das Schmelzelement 5 ist im Hauptstrompfad 3 und der Schalter 6 im Bypass 4 angeordnet. Das Schmelzelement 5 und der Schalter 6 bilden zusammen ein sandwichartiges Bauteil, wobei sie mit zwei Kontaktflächen 7,8 aneinandergrenzen. Im Falle eines thermosensitiven Schalters dient diese Ausgestaltung dazu, den Wärmeübergang vom Schmelzelement 5 zum Schalter 6 zu erleichtern. Die thermische Kopplung kann jedoch prinzipiell auf beliebige Weise erfolgen. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, zwischen dem Schmelzelement 5 und dem Schalter 6 ein die Kontaktflächen 7 und 8 miteinander verbindendes thermisches Kopplungselement 9, etwa in Pasten- oder Folienform anzuordnen.
Die technische Realisierung des Schalters ist prinzipiell beliebig. Er muß nur so ausgestaltet sein, daß er bei Überschreitung eines Grenz-Stromwertes oder einer Grenztemperatur öffnet.
Anhand der Darstellungen gemäß Fig. 2-4 wird nun die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Sicherung erläutert: Das Schmelzelement 6 ist im Ausgangszustand der Sicherung unversehrt und gewährleistet eine Verbindung des Eingangsanschlusses 1 mit dem Ausgangsanschluß 2 über den Hauptstrompfad 3. Der Schalter 6, ein thermosensitiver Schalter der obengenannten Art, ist geschlossen. Der von einer Stromquelle 10, etwa einer Fahrzeugbatterie entnommene Strom Iges teilt sich in die Teilströme IBypass und IFuse auf. Die Aufteilung ist prinzipiell so gewählt, dass der über den Bypass fließende Teilstrom geringer ist als der über den Hauptstrompfad 3 fließende Strom.
Den in Fig. 4 dargestellten Diagrammen liegen Messungen an einer Sicherung zugrunde, bei der eine 60A-Schmelzsicherung mit mittlerer Trägheit verwendet wurde. Die Messungen wurden bei einer Umgebungstemperatur von ca. 25°C und einem Überstrom von 90A durchgeführt. Die Widerstände der Teilstrompfade 3 und 4 wurden so gewählt, dass 60A den Hauptstrompfad 3 und 30A über den Bypass 4 fließen. Bei den gewählten Versuchsparametern wird nach etwa 140 Sekunden im Schmelzelement 5 eine Temperatur erreicht, die ein Öffnen des Schalters 6 bewirkt. Nachdem der Schalter geöffnet ist (Fig. 3, t = 140 in Fig. 4) fließt auch der Teilstrom IBypass über den Hauptstrompfad, so daß nunmehr 90A durch das Schmelzelement abfließen. Die für 60A ausgelegte Sicherung wird nun mit insgesamt 90A belastet, was zu einem schnellen Durchschmelzen innerhalb von etwa 30 Sekunden führt.
In Fig. 5 ist das schematische Schaltbild einer Sicherung mit integriertem Mikroprozessor 11 dargestellt. Der Schalter 6 ist ein Halbleiterelement, das beispielsweise über zwei Signalleitungen 12,13 mit dem Mikroprozessor 11 verbunden ist. Der Schalter 6 ist thermosensitiv ausgebildet und steht in direktem Wärmekontakt mit dem Schmelzelement 5. Die Statusmeldung über die aktuelle Temperatur des Schmelzelements erfolgt über die Signalleitung 12. Die Ansteuerung des Schalters 6 erfolgt über die Signalleitung 13. Der Mikroprozessor ist mit dem Bussystem 14 des Kontroll- und Überwachungssystems eines Kraftfahrzeuges verbunden. Auf diese Weise können fahrzeugspezifische Daten als Parameter für das Öffnen des Schalters 5 herangezogen werden. Beispielsweise kann im Falle eines ausgelösten Airbags der Schalter 6 prophylaktisch geöffnet werden. Gleiches gilt, wenn sich das Fahrzeug in einer Kopflage befindet. Weiterhin ist es denkbar, dass im Bereich der Anschlüsse 1,2 Thermosensoren angebracht sind, mit denen eine unzulässige Erwärmung der Anschlüsse 1,2 infolge einer beispielsweise korrosionsbedingten Widerstandserhöhung detektierbar ist.
Ganz allgemein kann es zweckmäßig sein, die im Falle eines thermo-sensitiven Schalters zu dessen Erwärmung notwendige Wärmemenge nicht allein dem Schmelzelement selbst, sondern sich daran anschließenden Bereichen der Sicherung , vor allem dem Bereich des Eingangs- und Ausgangsanschlusses 1,2 zu entnehmen. Falls erforderlich kann ein Wärmekontakt zwischen dem Schalter und dem Schmelzelement auch ganz vermieden werden, wobei dann die genannten Anschlußbereiche oder auch andere Bereiche der Sicherung als Wärmequelle für den Schalter dienen.