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Schutzschalter Wie der thermische Schutzschalter funktioniert

| Autor / Redakteur: Konrad Sörgel / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Wie entstanden thermische Schutzschalter, welche Vorteile haben sie und wo setzt man welche Auslöseelemente ein – ein Überblick.

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Keine Angst vor Überstrom: Thermische Schutzschalter gewährleisten bis heute einen zuverlässigen Überlastschutz.
Keine Angst vor Überstrom: Thermische Schutzschalter gewährleisten bis heute einen zuverlässigen Überlastschutz.
(Bild: ©ra2 studio - stock.adobe.com)

Die Erfindung der Glühbirne geht auf das Jahr 1879 zurück. Der erste „Kleinautomat“ zum Schutz vor Überstrom von Geräten wurde schon vier Jahre später erfunden. Zu Beginn waren die Auslöselemente im Regelfall Magnetspulen. Sie dienten dem Zweck Lichtleitungen zu schützen. Magnetische Schutzschalter waren und sind jedoch zum Schutz von Motoren nur bedingt geeignet. Mit Beginn des ersten Weltkrieges mussten die Motorenhersteller die hohen Reserven der Motorwicklungen aus Kostengründen radikal abbauen und suchten daher nach einer geeigneten Motorabsicherung. Die Lösung war der thermisch verzögerte Überstromauslöser. Weitere Entwicklungen folgten. Zunächst hatten die Sicherungsautomaten nur ein Auslösesystem. Entweder lösten sie thermisch oder magnetisch aus.

Im Jahr 1923 erbrachte der Ingenieur Hugo Stotz dann eine Pionierleistung: Er vereinigte die beiden Auslösesysteme und erfand so den thermisch-magnetischen Sicherungsautomaten. Der Strom fließt bei dieser Lösung sowohl über einen Elektromagneten als auch über einen Streifen Bimetall. Bei einem Kurzschluss löst der Magnet, bei Überlast dagegen das Bimetall den Sicherungsautomaten aus. Dieses Prinzip wird bis heute in den sogenannten Leitungsschutzschaltern in Sicherungskästen eingesetzt. Diese finden sich in Haushalten ebenso wie im professionellen Bereich.

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Die Vorteile des Schutzschalters

Daneben hat sich der thermische Geräteschutzschalter als eigenständiger Zweig weiterentwickelt. Dafür gibt es heute die Norm DIN EN 60934. Dieser basiert auf der Erwärmung eines stromdurchflossenen Heizelementes, zum Beispiel eines Bimetalls.

Die Vorteile auf einen Blick:

  • Thermische Schutzschalter gewährleisten einen zuverlässigen Überlastschutz.
  • Sie sind weitgehend unempfindlich gegenüber Einschalt-Stromspitzen von Motoren, Trafos und Magnetventilen.
  • Sie lösen bei höheren Umgebungstemperaturen früher aus. Das ist ein wichtiger Vorteil für alle elektrischen Verbraucher, deren Belastbarkeit stark von der Umgebungstemperatur abhängig ist.
  • Der Einsatz anstelle von Schmelzsicherungen vermeidet Stillstandzeiten. Denn Schutzschalter lassen sich nach einer Auslösung bequem und sicher wieder einschalten. Ein Austausch, wie bei einer Schmelzsicherung, ist nicht notwendig.

1953 brachte die deutsche Firma E-T-A als erstes europäisches Unternehmen einen rein thermischen Geräteschutzschalter auf den Markt. Heute ist das Unternehmen aufgrund eines umfassenden Programms Weltmarktführer in diesem Produktsegment.

Verschiedene Auslöselemente

Es gibt verschiedene technische Möglichkeiten zur Auslösung thermischer Geräteschutzschalter. Dabei lassen sich Schmelzlot-, Dehndraht- und Bimetallauslöser unterschieden. Die Entscheidung für die Auswahl eines Typs trifft der Ingenieur anhand der Anforderungen der zu schützenden Anwendungen.

  • Schmelzlotauslöser: Hier verhindert während des normalen Betriebs das feste Schmelzlot die Bewegung eines unter Federkraft stehenden Kraftspeichers. Ein Überstrom bringt das Lot zum Schmelzen und der frei werdende Kraftspeicher löst den Schutzschalter aus. Ein Rückstellen ist jedoch sehr aufwändig. Aus diesem Grund war das Prinzip nur bis um das Jahr 1960 im Einsatz. Es spielt heute keine Rolle mehr.
  • Dehndrahtauslöser: Diese Technik nutzt den besonders hohen Ausdehnungskoeffizienten spezieller Metalle aus, um die Kontakte der Schutzschalter zu öffnen. Dabei fließt der Strom durch einen, zwischen zwei Federn gelagerten Draht aus dem Werkstoff. Dieser dehnt sich aus und lässt das Element bei Erreichen einer bestimmten Temperatur umschnappen. Mit diesem Prinzip sind sehr flinke thermische Kennlinien realisierbar. Ein weiterer Pluspunkt ist die hohe Auslösegenauigkeit. Dehndrahtauslöser finden sich beispielsweise in Messerschleifmaschinen oder elektrischen Teppichbürsten. Sie sind auch zum Schutz von Platinen im Einsatz.
  • Bimetallauslöser: Ein Bimetall besteht aus zwei Metallen, die sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. Bei einer Temperaturveränderung findet eine Verbiegung statt, da die Metalle fest miteinander verbunden sind. Ein Bimetallauslöser lässt sich einerseits mit einem Bimetallstreifen mit einer Verklinkung und einem separaten federgespannten Kontaktmechanismus realisieren. Streifen-Bimetalle sind einfach und exakt zu justieren. Es lassen sich somit enge Kennlinien erreichen. Außerdem können sehr kleine Nennströme realisiert werden. Streifenbimetalle finden beispielweise in medizinischen Geräten, Kehrbohrmaschinen oder Bodenreinigungsmaschinen Anwendung. Die zweite Möglichkeit der Auslösung ist eine Bimetallscheibe mit Schnappeffekt, an der direkt ein Kontakt befestigt ist. Dies ist aufgrund der einfachen Konstruktion eine kostengünstige Lösung. Allerdings sind die Schnappscheiben nur bedingt justierbar. Schnappscheiben-Bimetalle sind etwas flinker in der Auslösung als Streifenbimetalle. Das Bimetall hat gegenüber dem Dehndraht generell den Vorteil einer niedrigeren Arbeitstemperatur. Diese liegt bei etwa 100 °C. Der Dehndraht benötigt dagegen rund 300 °C. Außerdem hat das Bimetall einen größeren nutzbaren Arbeitsweg und seine Zeitkonstante entspricht mehr der eines Motors. Schnappscheibenbimetalle sind in Kompressoren, Ventilatoren oder Steckdosenleisten im Einsatz.

Trotz Einzug der Elektronik sind thermische Schutzschalter nach wie vor in vielen Anwendungen der optimale Überstromschutz. Speziell die Bimetall-Technik hat sich aufgrund ihrer Vielseitigkeit in der Industrie als Standard für Auslöseelemente thermischer Schutzschalter durchgesetzt. Eines ist sicher: Die Erfolgsgeschichte dieser robusten und kostengünstigen Lösung für Überstromschutz ist noch lange nicht zu Ende. (sh)

Hannover Messe 2018: Halle 11, Stand A69

* Konrad Sörgel ist Leiter der Produktsparte Equipment bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH.

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