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Anordnung zum Schutz gegen Berührungsspannungen an Geräten
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der elektrischen Nachrichtentechnik Beim Zusammenschalten mehrerer elektrischer
Geräte, die mit ihren Gehäusen zum Schutz gegen Berührungsspannungen jeweils an
einen gemeinsamen Nulleiter bzw. an verschiedene, unterschiedlichen Versorgungssystemen
angehörende Nulleiter angeschaltet sind, treten in der Regel unerwünschte Störspannungseinflüsse
auf, welche ihre Ursache in den sogenanntenNullströnnen des gemeinsamenNulleiters
oder im Vorhandensein eines gewissen Potentialunterschiedes zwischen zwei jeweils
unterschiedlichen Versorgungssystemen angehörenden Nulleitern haben. Hierbei fließen
nämlich Störströme über die Nulleiterzuführungen zu den einzelnen Geräten, wobei
sich Störstrompfade auch üb--r die jeweils mit den Gehäusen verbundenen Adern der
Verbindungsleitungen zwischen den Geräten ergeben. Im Falle von koaxialenVerbindungsleitungen
führen diese Störstrompfade z. B. über die Außenleiter. An den in vielen Betriebsfällen
nicht -zu vernachlässigenden Widerständen der Verbindungsleitungen rufen diese Störströme
Spannungsabfälle hervor, die sich den zwischen den einz.-Inen Geräten übertragenen
Nutzspannungen als Störspannungen überlagern. Diese nachteiligen Einflüsse sind
besonders bei elektrischen Meßgeräten störend, da hierdurch die Meßgenauigkeit unter
Umständen erheblich herabgesetzt wird.
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Zur Vermeidung derartiger Störeinflüsse wäre es bei bekannten Schutzschaltungen
gegen Berührungsspannungen, die in der Nulleiterzuführung des Gerätegehäuses eine
Schaltspule aufweisen, welche beim Auftreten von großen Berührungsspannungen einen
das Gerät von den stromführenden Phasen des Versorgungssystems abschaltenden Trennungssehalter
betätigt, an sich erforderlich, die Schaltspule möglichst hochohmig auszubilden.
Diese Forderung steht jedoch im Gegensatz zu den Bedingungen, die zur Gewährleistung
einer guten Schutzwirkung gegenüber Berührungsspannungen aufzustellen sind. Mit
Rücksicht auf diese letzteren darf nämlich der ohmsche Widerstand in der Nulleiterzuführung
nicht zu groß werden, da mit wachsendem Widerstand einerseits die Ansprechempfindlichkeit
des Trennungsschalters verringert wird und andererseits die thermische Belastung
der Nulleiterzuführun-. durch die im Fehlerfall, d. h. beim Anliegen von
größeren Berührungsspannungen am Gehäuse, auftretenden Fehlerströme steigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Schutz
gegen Berührungsspannungen an Geräten der elektrischen Nachrichtentechnik zu schaffen,
bei der eine Nulleiterzuführung an die berührbaren leitfähigen Geräteteile gelegt
ist und bei der die durch die Nulleiterströme bedingten Störeinwirkungen ohne jede
Verringerung der Schutzwirkung gegenüber BerÜhrungsspannungen praktisch beseitigt
sind. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in die Nulleiterzuführung
eine AntiparalleIschaltung zweier Vierschicht-Halbleitertrioden, insbesondere mit
unbeschalteten Steuerelektroden (Vierschicht-Halbleiterdioden), eingeschaltet ist.
Gemäß weiterer Erfindung sind die Halbleiteranoden jeweils über eine in Sperrichtung
gepolte Zenerdiode mit der zugeordneten Steuerelektrodeverbunden.
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Es ist an sich bekannt, bei Überlastungsschutzschaltungen und bei
auf Stromausfall ansprechenden überwachungseinrichtungen eine Antiparallelschaltung
von zwei Glcichrichterdioden bzw. eine Serienschaltung von -zwei entgegengesetzt
gepolten Zenerdioden als Schwellwertglied vorzusehen. Bei Anordnungen dieser Art
bleibt jedoch der einmal erreichte Schwellwert der Klemmenspannung auch bei einem
weiteren Stromanstieg erhalten. Dies führt zu einer thermischen Belastung der Gleichrichterelemente,
die eine sinngemäße Anwendung derartiger Antiparallelschaltungen in der Nulleiterzufühning
eines Gerätegehäuses im Sinne vorliegender Erfindung unmöglich macht. Durch etwaige,
während des Betriebs schwer zu kontrollierende thermische Überlastungen der in diesem
Fall als Schutzorgan gebrauchten Gleichrichterschaltung würde eine erhebliche Gefahrenquelle
für das Bedienungspersonal entstehen.
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Im Gegensatz hierzu wird durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vierschicht-Halbleitertrioden
in Antiparallelschaltung erreicht, daß die sich ergebende Klemmenspannung nach überschreitung
eines
bestimmten Schwellwertes bei weiterem Stromanstieg auf einen sehr kleinen Spannungswert
zusammenbricht, so daß die Schaltungsanordnung selbst durch den fließenden Nulleiterausgleichsstrom
thermisch nicht überlastet bzw. nicht zerstört wird. Dabei bewirkt der relativ hohe
Widerstandswert der in Durchlaßrichtung gepolten Vierschicht-Halbleitertrioden vor
dem Erreichen der Zündspannung eine praktisch vollständige Ausschaltung der sich
über den Nulleiter ausbreitenden Störströme.
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Die Anordnung nach der Erfindung stellt ein gegen Spitzenströme unempfindliches,
ständig betriebsbereites und äußerst zuverlässig arbeitendes Überwachungsorgan gegen
unzulässig hohe Berührungsspannungen dar, das vor einer therinischen überlastung
automatisch hinreichend geschützt ist. Durch die Eigenschaften der Vierschicht-Halbleitertrioden
im Durchlaßbereich wird dabei gleichzeitig ein wesentlich größerer Schutz des Gerätes
vor Störspannungseinflüssen bewirkt, als dies bei den bekannten Anordnungen der
Fall ist. Weitere Vorteile der Anordnung nach der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles
entnehmbar.
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Das Gerätegehäuse G, welches mit den berührbaren leitfähigen
Geräteteilen galvanisch verbunden ist, ist zur Erzielung einer Schutzwirkung gegen
Berührungsspannungen über eine Nulleiterzuführung 1 mit dem Nulleiter
0 eines Versorgungssystems verbunden, dessen stromführende Phasen mit R und
S bezeichnet sind. An die letztgenannten Versorgungsadern ist, wie
- schematisch angedeutet, ein Netztransformator 2 über einen Geräteschalter
3 und über eine in Serie liegende Sicherung 4 angeschaltet. Die Nutzspannung
wird dem Gerät über die Eingangsklemmen 5 zugeführte von denen eine bei
6 auf Gehäusepotential liegt.
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Zur Vermeidung von Störeinflüssen, die sich, hervorgerufen durch dieNullströmeI.,
durchAusbildung von Störstrompfaden über die Nulleiterzuführung 1,
das Gerätegehäuse
G und die Verbindungsstelle 6 zu der einen Ader der die Netzspannung
führenden Verbindungsleitung ergeben, sind zwei Vierschicht-Halbleitertrioden T
1, T 2 in Antiparallelschaltung in die Nulleiterzaführung
1 eingefügt. Dabei besteht eine Vierschicht-Halbleitertriode - auch
unter der Bezeichnung »Vierschichten-Transistor« oder »Hook-Transistor« bekannt
- aus einem pnpn-Halbleiterkörper, der an der äußeren p- und n-Schicht
jeweils einen Elektrodenanschluß aufweist, während der dritte Elektrodenanschluß
an eine der beiden mittlerenSchichten unterschiedlicherLeitfähigkeit geführt ist.
Die an der äußeren p-Schicht liegende Elektrode wird als Halbleiteranode bezeichnet,
die an der äußeren n-Schicht liegende als Halbleiterkathode, während die an eine
der beiden mittleren Schichten geführte Elektrode als Steuerelektrode bzw. Gitterelektrode
bezeichnet wird. Die Einschaltung der Vierschicht-Halbleitertrioden erfolgt nun
in der Weise, daß die Anoden-Kathoden-Strecke A 1, K
1 der Triode T 1 zu der entsprechenden Strecke A
2, K 2 der zweiten Triode antiparallel liegt. Dabei sind die Gitterelektroden
Gl, G2 zunächst nicht beschaltet. Je nach Polarität einer an der Antiparallelschaltung
liegenden Berührungsspannung ist die eine der Trioden in Vorwärtsrichtung, die andere
in Rückwärtsrichtung vorgespannt, wobei beide gleichermaßen hochohmig geschaltet
sind. Unter der Annahme, daß eine anliegende Berührungsspannung das Potential des
Punktes 7 gegenüber dem Potential des Punktes 8
positiv macht, ist
Tl in Vorwärtsrichtung, T2 dagegen in Rückwärtsrichtung vorgespannt. übersteigt
die Berührungsspannung hierbei einen bestimmten Wert, der zur Zündung von Tl führt,
so wird Tl bezüglich seiner Strecke A 1, K 1 innerhalb
einer extrem kurzen Schaltzeit niederohmig und schließt demzufolge die Nulleiterzuführung
1 praktisch mit dem Gerätegehäuse G kurz. Es ist hierbei von wesentlicher
Bedeutung, daß während des Zündvorganges die Spannung an der Strecke A
1, K 1 auf einen derart kleinen Wert zusammenbricht, daß
auch bei einem relativ großen Fehlerstrom über die Nulleiterzuführungl an Tl keine
große Verlustleistung auftritt. Daher wird eine thermische Zerstörung von Tl mit
Sicherheit vermieden.
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In dem betrachteten Betriebsfall, bei dem die Berührungsspannung den
Punkt 7 gegenüber 8 positiv vorspannt, liegt an der Vierschicht-Halbleitertriode
T2 eine Sperrspannung, die zwischen A 2 und K2 einen extrem hohen Widerstandswert
ergibt. Die in Sperrichtung zum Durchbruch führende Durchbruchspannung an
A 2, K 2 ist dabei so hoch, daß sie von der Berührungsspannung
mit Sicherheit nicht erreicht wird, bevor die Zündung von T 1 erfolgt. Somit
befindet sich T2 bei der angenommenen Polung der Berührungsspannung ständig im Bereich
hoher Sperrwiderstandswerte. Bei einer Polaritätsumkehr, d.h. bei einer positiven
Vorspannung des Punktes 8 gegenüber 7, übernimmt T2 die Funktion von
Tl, während in diesem Fall Tl im Bereich hoher Sperrwiderstandswerte verbleibt.
Liegt die Berührungsspannung als Wechselspannung an, so wird jeweils eine der Trioden
durch die ihr zugeordnete Berührungsspannungshalbwelle oberhalb eines gewissen Amplitudenwertes
zum Zünden gebracht. Falls die Berührungsspannung die zur Zündung erforderlichen
Amplitudenwerte nicht erreicht, weist die Antiparallelschaltung von Tl und T2 einen
derartig hohen Gesamtwiderstand auf, daß die vom Nulleiter herrührenden Störströme
wesentlich besser abgehalten werden, als dies bei bekannten Schaltungen der Fall
ist.
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Nach einer in der Zeichnung gestrichelt angedeuteten Weiterbildung
wird die Halbleiteranode A 1
über eine in Sperrichtung gepolte Zenerdiode
Z l mit der Steuerelektrode bzw. Gitterelektrode Gl verbunden, A 2
entsprechend über Z 2 mit G 2. lEerdurch ergibt sich die Möglichkeit, den
Zündeinsatz beider Trioden durch die Wahl der Zenerspannungen von Zl und Z2 festzulegen,
ohne auf die innerhalb gewisser Bereiche schwankenden Zündspannungen an den Strecken
A 1, Kl sowie A 2, K2 Rücksicht nehmen zu müssen. Dabei erfolgt
in dem Fall, wo 7
durch eine Berührungsspannung positiv gegenüber
8
vorgespannt ist, die Zündung von Tl bei steigender Berührungsspannungsamplitude
zu jenem Zeitpunkt, an dem die Zenerspannung von Tl von der Berührungsspannung um
die an die Strecke Gl, Kl anzulegende Zündspannung gerade überschritten wird. Ein
analoger Zündvorgang ergibt sich an T2 für die entgegengesetzte Polung der Berührungsspannung.
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Nach einer weiteren Schaltungsvariante werden die Steuerelektroden
G 1, G 2 mit den zugeordneten Halbleiteranoden A 1, A
2 direkt verbunden. Hierbei ergibt sich zwar eine gewisse Verringerung der Störschutzwirkung
insofern, als nur Störspannungen abgehalten
werden, deren Amplitude
kleiner ist als die in Vorwärtsrichtung zwischen Gitter und Kathode anzulegende
Durchbruchspannung der Vierschicht-Halbleitertrioden, doch wird dabei andererseits
auch die Zündung der Trioden bereits bei wesentlich kleineren Werten der Berührungsspannung
erreicht als bei den anderen Schaltungsvarianten.