DE19822056A1

DE19822056A1 - Temperaturschutzschaltung

Info

Publication number: DE19822056A1
Application number: DE1998122056
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Voigtsberger; Friedhelm Tupaika
Original assignee: VOIGTSBERGER HANS JUERGEN
Current assignee: VOIGTSBERGER HANS JUERGEN
Priority date: 1998-05-16
Filing date: 1998-05-16
Publication date: 1999-11-18

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit geringem Aufwand herstellbare, von der Umgebungstemperatur weitgehend unabhängige, extrem miniaturisierbare Temperaturschutzschaltung zum Schutz elektrischer Geräte, insbesondere von Elektromotoren, vor thermischer Überlastung mit Stufen-Charakteristik der Temperatur-Widerstands-Funktion und mit einer Reihenschaltung von PTC-Thermistoren abgestufter Nennansprechtemperatur zu schaffen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird gelöst, indem der PTC-Thermistor (2) niederer Nennansprechtemperatur durch einen ohmschen Widerstand (R¶1¶) überbrückt ist, so daß erst bei Erreichen der Nennansprechtemperatur des oder der PTC-Thermistoren (1, 1', 1'') mit der höchsten Nennansprechtemperatur der Abschaltvorgang ausgelöst wird. DOLLAR A Die Erfindung ist zum Schutz von Elektrogeräten, insbesondere von Elektromotoren, vor thermischer Überlastung anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für elektrische Geräte, insbesondere für Elektromotoren, vorthermischer Überlastung, wobei als Temperatursensoren Halbleiter mit positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes, sogenannte PTC-Thermistoren, eingesetzt werden. Bedingt durch deren ausge sprochen hohen positiven Widerstands-Temperatur-Koeffizienten steigt bei zu nehmender Temperatur der Widerstandswert des PTC-Thermistors im Bereich der Nennansprechtemperatur nahezu sprungförmig über mehrere Zehnerpoten zen an.

Für den thermischen Wicklungsschutz von Elektromotoren definiert die DIN 44 081 den Widerstandswert des PTC-Thermistors bei der sogenannten Nennansprechtemperatur mit R <1330 Ohm. Im Allgemeinen werden drei in Serie geschaltete PTC-Thermistoren in die Wicklungsphasen von z. B. Drehstrommoto ren eingebaut.

Fig. 1 und Fig. 1a stellen diese Schutzschaltung und deren Widerstands-Tempe ratur-Charakteristik für PTC-Thermistoren mit jeweils gleicher Nennansprechtemperatur dar. Dabei ergibt sich ein Gesamtwiderstand der Seri enschaltung von <4000 Ohm beim Erreichen/Überschreiten der Nennansprechtemperatur. Ein mit der Schutzschaltung gekoppeltes handelsübli ches Auslösegerät löst bei diesen 4000 Ohm einen Abschaltvorgang der zu über wachenden Einheit aus. Die Auslösegeräte sind so dimensioniert, daß beim Un terschreiten eines Widerstandswertes von 2000 Ohm eine Wiedereinschaltung erfolgt. Bedingt durch die Widerstands-Temperatur-Charakteristik verringert die Schutzschaltung schon bei Abkühlung der PTC-Thermistoren um ca. 2°C ihren Gesamtwiderstand auf <2000 Ohm und es folgt die Widereinschaltung der zu schützenden Einheit. Dies führt in der Regel zu unerwünscht schnellen Schaltzy klen (Stand der Technik zu DE 27 00 841, insbesondere dessen Fig. 2), welche die zu schützenden Einheiten extrem beanspruchen.

Diesen Mangel hat man beispielsweise durch zusätzlichen Einbau eines (elektromechanischen Bimetall-)Thermoschalters niedrigerer Schalttemperatur als derjenigen des PTC-Thermistors behoben, so der Motor erst wieder einge schaltet und Spannung an den PTC-Thermistor angelegt wird, wenn die Tempe ratur des Motors unter die genannte, niedrigere Schalttemperatur des Thermo schalters abgefallen ist (DE 27 00 841). Nachteilig ist hierbei der erhöhte Auf wand für den Thermoschalter und dessen systembedingt höherer Verschleiß.

Die genannten Nachteile treffen in noch höherem Maße für eine Schaltung mit Haupt- und Hilfsrelais zu, wobei die PTC-Thermistoren in Reihe zu den Wicklun gen der Hilfsrelais geschaltet sind (DE 28 22 010).

Bei einer weiteren bekannten Schutzschaltung der eingangs genannten Art wird eine stufenförmige Kennlinie der Temperatur-Widerstands-Funktion und damit ein deutlicher Abstand zwischen Ausschalt- und Wiedereinschalttemperatur dadurch erreicht, daß der bzw. die PTC-Thermistoren niederer Ansprechtemperatur durch ein Schaltelement, vorzugsweise eine Zenerdiode, überbrückt sind. Wenn mehre re PTC-Thermistoren niederer Ansprechtemperatur in Reihe geschaltet sind, dann sind diese gemeinsam durch ein solches Schaltelement überbrückt (DE 195 40 625). Wegen der starken thermischen Empfindlichkeit von Sperrschichthableitern können die Zenerdioden nur bedingt im Temperatur-Überwachungsbereich ange ordnet werden. Weiterhin sind selbst als SMD-Ausführung der Miniaturisierung der Gesamtschaltung durch diese Zenerdioden Grenzen gesetzt. Letztere bestim men den möglichen Grad der Miniaturisierung. Werden sie, wie oben angedeutet, außerhalb des Temperaturüberwachungsbereiches angeordnet, so sind zusätzli che Anschlußleitungen erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mit geringen Aufwand her stellbare, von der Umgebungstemperatur weitgehend unabhängige, extrem minia turisierbare Temperaturschutzschaltung zum Schutz elektrischer Geräte, insbe sondere von Elektromotoren, vor thermischer Überlastung mit Stufen-Charak teristik der Temperatur-Widerstands-Funktion und mit einer Reihenschal tung von PTC-Thermistoren abgestufter Nennansprechtemperatur zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Lösung

- werden die Zenerdioden durch ohmsche Widerstände ersetzt, die nur mit einer geringen Temperaturabhängigkeit behaftet sind
- lassen sich schaltungsmäßig ausreichende Widerstandssprünge bei möglichst geringem Anstieg des "Plateaus" realisieren und
- die ohmschen Widerstände lassen sich in ihren Abmessungen kleiner als die PTC-Thermistoren ausführen, so daß das Ausmaß der Miniaturisierung praktisch nur durch die Abmessungen der letzteren begrenzt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die beigefügten Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 Grundschaltbild und Widerstands-Temperatur-Charakteristik zur thermischen Überwachung von Elektromotoren,

Fig. 1a Kennlinie der Grundschaltung von Fig. 1,

Fig. 2 Schaltbild der erfindungsgemäßen Lösung,

Fig. 3 Schaltbild des Standes der Technik,

Fig. 4 Realisierung der Erfindung aus diskreten Schaltelementen nach An spruch 4,

Fig. 5 Realisierung der Erfindung als Hybridschaltung nach Anspruch 6,

Fig. 6 Realisierung der Erfindung aus diskreten Schaltelementen nach An spruch 5,

Fig. 7 Realisierung der Erfindung als Hybridschaltung nach Anspruch 7,

Fig. 8 Realisierung der Erfindung als Hybridschaltung nach Anspruch 8,

Fig. 9 Kennlinie der Schutzschaltung nach Fig. 3.

Die Fig. 2 und 3 zeigen als Schaltskizze deutlich die prinzipiellen Unterschiede zwischen dem zuletzt gewürdigten Stand der Technik (Fig. 3) und der erfindungs gemäßen Lösung (Fig. 2). Neben der erfindungsgemäßen Verwendung ohmscher Widerstände R₁ und R₂ ist dies vor allem die Tatsache, daß die PTC-Thermistoren niederer Nennansprechtemperatur 2 und 3 durch die ohmschen Wi derstände R₁ und R₂ einzeln überbrückt sind, während die Zenerdiode 9 in Fig. 2 beide PTC-Thermistoren niederer Nennansprechtemperatur 2 und 3 überbrückt. Die Thermistoren mit der höchsten, untereinander gleichen Nennansprechtempe ratur 1, 1' und 1'' sind die eigentlichen Temperatursensoren. Sie ergeben infolge der Reihenschaltung ein logisches "UND-ODER", d. h. die Abschaltung erfolgt, wenn an mindestens einem der drei PTC-Thermistoren 1, 1' und 1'' die zulässige Temperatur entsprechend der höchsten Nennansprechtemperatur überschritten wird.

Die folgenden Fig. 4 bis 8 sind durch die zugehörigen Ansprüche ohne weiteres verständlich. Sie sind jedoch mit nur einem PTC-Thermistor zur Abschaltung mit der höchsten Nennansprechtemperatur von 150°C vorrangig für einen Einpha senmotor gedacht.

Fig. 9 zeigt die gewünschte stufenförmige Temperatur-Widerstandsfunktion, wo bei die "Plateaus" jeweils einen gewissen Temperaturspielraum ergeben, wo eine Temperaturänderung in erwünschter Weise noch keinen Schaltvorgang auslöst. Die Auswahl der PTC-Thermistoren mit den niederen Nennansprechtemperaturen in Kombination mit den Widerständen R₁ und R₂ bestimmen die Lage und die Breite der Plateaus. Das erste Plateau könnte zum Auslösen einer Warnlampe und das zweite zur Einschaltung eines zusätzlichen Lüfters benutzt werden, wäh rend erst bei 150°C die Abschaltung des zu schützenden Elektrogerätes bzw. Elektromotors erfolgt. Auch während der nach dem Abschaltvorgang erfolgenden Abkühlphase des z. B. Elektromotors durchläuft die Schutzschaltung die gleiche Temperatur-Widerstandsfunktion, so daß die Widerstandsstufen auch in dieser Phase für Schaltvorgänge genutzt werden können. So erfolgt bei Einsatz eines handelsüblichen Auslösegerätes mit 2000 Ohm Wiedereinschaltschwelle der Ein schaltvorgang erst nach Abkühlung bis in den Bereich der Nennansprechtempera tur des Thermistors mit der niedrigsten Nennansprechtemperatur.

Claims

1. Temperaturschutzschaltung zum Schutz elektrischer Geräte, insbesondere von Elektromotoren, vor thermischer Überlastung mit Stufen-Charakteristik der Tem peratur-Widerstands-Funktion und einer Reihenschaltung von PTC-Thermistoren abgestufter Nennansprechtemperatur, wobei der oder die PTC-Thermistoren nie derer Nennansprechtemperatur durch elektr. Bauelemente überbrückt sind, um den Gesamtwiderstand der Temperaturschutzschaltung bis zum Erreichen der Nennansprechtemperatur des PTC-Thermistors mit der nächst höheren Nennansprechtemperatur nahezu konstant zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Thermistor (2) niederer Nennansprechtemperatur durch einen ohm schen Widerstand (R₁) überbrückt ist, so daß erst bei Erreichen der Nennansprechtemperatur des oder der PTC-Thermistoren (1, 1', 1'') mit der höchsten Nennansprechtemperatur der Abschaltvorgang ausgelöst wird.

2. Temperaturschutzschaltung zum Schutz elektrischer Geräte, insbesondere von Elektromotoren, vor thermischer Überlastung mit Stufen-Charakteristik der Tem peratur-Widerstands-Funktion und einer Reihenschaltung von PTC-Thermistoren abgestufter Nennansprechtemperatur, wobei der oder die PTC-Thermistoren nie derer Nennansprechtemperatur durch elektr. Bauelemente überbrückt sind, um den Gesamtwiderstand der Temperaturschutzschaltung bis zum Erreichen der Nennansprechtemperatur des PTC-Thermistors mit der nächst höheren Nennansprechtemperatur nahezu konstant zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei PTC-Thermistoren (2, 3) niederer Nennansprechtemperatur einzeln durch ohmsche Widerstände (R₁, R₂) überbrückt sind, so daß erst bei Er reichen der Nennansprechtemperatur des oder der PTC-Thermistoren (1, 1', 1'') mit der höchsten Nennansprechtemperatur der Abschaltvorgang ausgelöst wird.

3. Temperaturschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstände zusammen mit den PTC-Thermistoren am Ort der Temperaturerfassung, vorzugsweise in der Wicklung eines Elektromotors, unter gebracht sind.

4. Temperaturschutzschaltung nach Anspruch 3, die aus diskreten Schaltungse lementen mit mindestens drei PTC-Thermistoren aufgebaut ist (Fig. 4), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei quaderförmige, im Bereich ihrer Schmalsei ten metallisierte ohmsche Widerstände (R₁, R₂) in Reihenschaltung zusammenge fügt und scheibenförmige PTC-Thermistoren (1, 2, 3) mit jeweils einem ihrer An schlüsse an den endseitigen Metallisierungen der Reihenschaltung aufgesetzt, die über jeweils anderen Anschlüsse der überbrückten PTC-Thermistoren (1, 2, 3) zur Verbindungsstelle der Reihenschaltung geführt und der andere Anschluß des mindestens dritten, nicht überbrückten PTC-Thermistors (1) zu einem Außenan schluß der Temperaturschutzschaltung geführt ist.

5. Temperaturschutzschaltung nach Anspruch 3, die aus diskreten Schaltungse lementen mit mindestens drei PTC-Thermistoren aufgebaut ist (Fig. 6), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei quaderförmige, im Bereich ihrer Schmalsei ten metallisierte ohmsche Widerstände (R₁, R₂) hochkant angeordnet sind, zwi schen ihnen die überbrückten PTC-Thermistoren (2, 3) an einer endseitigen Me tallisierung derselben anliegen und der Verbindungspunkt zwischen den beiden anderen Anschlüssen dieser PTC-Thermistoren (2, 3) zu den beiden anderen endseitigen Metallisierungen der ohmschen Widerstände (R₁, R₂) geführt ist, wäh rend der nicht überbrückte PTC-Thermistor (1) außen an einer den PTC-Thermi storen (2, 3) gemeinsamen Metallisierung eines der ohmschen Widerstän de (R₂) anliegt und sein anderer Anschluß einen Außenanschluß der Temperatur schutzschaltung bildet.

6. Temperaturschutzschaltung nach Anspruch 3, die als Hybridschaltung mit ohmschen Schichtwiderständen und mit mindestens drei PTC-Thermistoren auf gebaut ist (Fig. 5), dadurch gekennzeichnet, daß die PTC-Thermistoren (1, 2, 3) mit einem ihrer Anschlüsse auf Anschlußleiterbahnen der Schichtwiderstände (R₁, R₂) aufliegen und deren andere, von den Schichtwiderständen (R₁, R₂) abgewand ten Anschlüsse diskret kontaktiert sind.

7. Temperaturschutzschaltung nach Anspruch 3, die als Hybridschaltung mit ohmschen Schichtwiderständen und mit mindestens drei PTC-Thermistoren auf gebaut ist (Fig. 7), dadurch gekennzeichnet, daß die PTC-Thermistoren (1, 2, 3) neben den Schichtwiderständen (R₁, R₂), vorzugsweise senkrecht zur Ebene der selben angeordnet durch kammartig herausgeführte Anschlüsse diskret kontak tiert sind.

8. Temperaturschutzschaltung nach Anspruch 3, die als Hybridschaltung mit ohmschen Schichtwiderständen und mit mindestens drei PTC-Thermistoren auf gebaut ist (Fig. 8), dadurch gekennzeichnet, daß die PTC-Thermistoren (1, 2, 3) senkrecht zur Ebene der Schichtwiderstände (R₁, R₂) in Ausparungen eines kam martig ausgebildeten Hybridsubstrates angeordnet und direkt mit den an die Aus sparungen herangeführten Anschlußleiterbahnen der Schichtwiderstände kontak tiert sind.