DE1159555B

DE1159555B - Arrangement for protection against contact voltages on devices in electrical communications engineering

Info

Publication number: DE1159555B
Application number: DES78743A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Kuntze
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-03-30
Filing date: 1962-03-30
Publication date: 1963-12-19

Description

Anordnung zum Schutz gegen Berührungsspannungen an Geräten C 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.Arrangement for protection against touch voltages on devices C in electrical communications engineering When interconnecting several electrical devices whose housings are each connected to a common neutral conductor or to different, different supply systems to protect against touch voltages, undesirable interference voltage influences usually occur. which have their cause in the so-called zero currents of the common neutral conductor or in the presence of a certain potential difference between two neutral conductors belonging to different supply systems. This is because interference currents flow via the neutral conductor feeds to the individual devices, with interference current paths also being produced via the cores of the connecting lines between the devices that are connected to the housings. In the case of coaxial connecting lines, these interference current paths lead e.g. B. via the outer conductor. At the resistances of the connecting lines, which are not negligible in many operating cases, these interference currents cause voltage drops that are superimposed as interference voltages on the useful voltages transmitted between the individual devices. These disadvantageous influences are particularly troublesome with electrical measuring devices, since the measuring accuracy may be considerably reduced as a result.

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.In order to avoid such interference, it would be necessary in known protective circuits against contact voltages that have a switching coil in the neutral lead of the device housing, which, when high contact voltages occur, actuates an isolating switch that disconnects the device from the live phases of the supply system, to design the switching coil as high-resistance as possible . However, this requirement is in contrast to the conditions that must be set up to ensure a good protective effect against touch voltages. With regard to the latter, the ohmic resistance in the neutral lead must not become too great, since with increasing resistance, on the one hand, the sensitivity of the disconnector is reduced and, on the other hand, the thermal load on the neutral lead. by the in the event of an error, d. H. when higher contact voltages are applied to the housing, the fault currents that occur increase.

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.The invention is based on the object of an arrangement for protection to protect against contact voltages on electrical communications equipment, in which a neutral lead is placed on the accessible, conductive parts of the device is and in which the interference caused by the neutral currents without any Reduction of the protective effect against contact voltages practically eliminated are. This is achieved according to the invention in that in the neutral lead an antiparallel circuit of two four-layer semiconductor trodes, in particular with unconnected control electrodes (four-layer semiconductor diodes), is switched on. According to a further invention, the semiconductor anodes are each one in the reverse direction polarized Zener diode connected to the assigned control electrode.

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.It is known per se in overload protection circuits and in Monitoring devices responding to a power failure have an anti-parallel connection of two rectifier diodes or a series circuit of two opposing polarized Zener diodes to be provided as a threshold value element. With orders of this kind however, the threshold value of the terminal voltage once reached also remains at one receive further current surge. This leads to a thermal load on the rectifier elements, the analogous application of such anti-parallel circuits in the Nulleiterzufühning makes a device housing in the sense of the present invention impossible. By any, Thermal overloads difficult to control during operation If a rectifier circuit is used as a protective device, this would constitute a significant source of danger for the operating personnel.

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.In contrast to this, by using the four-layer semiconductor triodes according to the invention achieved in anti-parallel circuit that the resulting terminal voltage after being exceeded one certain threshold value with a further increase in current to a very low voltage value collapses, so that the circuit arrangement itself by the flowing neutral conductor equalizing current is not thermally overloaded or not destroyed. The effect is relatively high Resistance value of the forward polarized four-layer semiconductor triodes when the ignition voltage is reached a practically complete deactivation of the self interference currents propagating across the neutral conductor.

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.The arrangement according to the invention provides an insensitive to peak currents, constantly operational and extremely reliable monitoring body against unacceptably high contact voltages, which is before thermal overload is automatically adequately protected. Due to the properties of the four-layer semiconductor triodes At the same time, in the pass band, the device is protected significantly more caused before interference voltage influences than in the known arrangements of the Case is. Further advantages of the arrangement according to the invention are as follows Description of a preferred embodiment shown in the drawing removable.

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.The device housing G, which is galvanically connected to the touchable, conductive device parts, is connected to the neutral conductor 0 of a supply system, whose current-carrying phases are denoted by R and S , via a neutral conductor feed 1 to achieve a protective effect against touch voltages. A power transformer 2 indicated schematically, connected via a switch device 3 and an in-series fuse 4 -, as to the latter supply cores. The useful voltage is fed to the device via the input terminals 5, one of which at 6 is at the housing potential.

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.To avoid interference caused by the zero currents I., through the formation of interference current paths via the neutral conductor feed 1, the device housing G and the connection point 6 to the one wire of the connecting line carrying the mains voltage, two four-layer semiconductor trodes T 1, T 2 are in Antiparallel circuit inserted into the neutral conductor 1. A four-layer semiconductor triode - also known as a "four-layer transistor" or "hook transistor" - consists of a pnpn semiconductor body which has an electrode connection on the outer p- and n-layer, while the third electrode connection is on one of the two middle layers of different conductivity is carried out. The electrode on the outer p-layer is called the semiconductor anode, the one on the outer n-layer is called the semiconductor cathode, while the electrode connected to one of the two middle layers is called the control electrode or grid electrode. The four-layer semiconductor triodes are now switched on in such a way that the anode-cathode path A 1, K 1 of the triode T 1 is antiparallel to the corresponding path A 2, K 2 of the second triode. The grid electrodes Gl, G2 are initially not connected. Depending on the polarity of a contact voltage applied to the antiparallel circuit, one of the triodes is biased in the forward direction and the other in the reverse direction, with both being switched to the same high resistance. Assuming that an applied contact voltage makes the potential of point 7 positive with respect to the potential of point 8 , T1 is biased in the forward direction, while T2 is biased in the reverse direction. If the contact voltage exceeds a certain value that leads to the ignition of Tl, Tl becomes low-resistance with respect to its path A 1, K 1 within an extremely short switching time and consequently the neutral lead 1 practically shorts to the device housing G. It is of essential importance here that during the ignition process the voltage on the path A 1, K 1 collapses to such a small value that even with a relatively large fault current through the neutral conductor supply to Tl, no great power loss occurs. Thermal destruction of T1 is therefore avoided with certainty.

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.In the operating case under consideration, in which the contact voltage positively biases point 7 compared to 8 , there is a reverse voltage across four-layer semiconductor triode T2, which results in an extremely high resistance value between A 2 and K2. The breakdown voltage at A 2, K 2 leading to the breakdown in the reverse direction is so high that it will certainly not be reached by the contact voltage before T 1 is triggered. Thus, with the assumed polarity of the contact voltage, T2 is always in the range of high blocking resistance values. With a polarity reversal, ie with a positive bias of the point 8 compared to 7, T2 takes over the function of Tl, while in this case Tl remains in the range of high blocking resistance values. If the contact voltage is applied as alternating voltage, one of the triodes is caused to ignite above a certain amplitude value by the contact voltage half-wave assigned to it. If the contact voltage does not reach the amplitude values required for ignition, the anti-parallel connection of T1 and T2 has such a high total resistance that the interference currents originating from the neutral conductor are kept away much better than is the case with known circuits.

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.According to a further development indicated by dashed lines in the drawing, the semiconductor anode A 1 is connected to the control electrode or grid electrode Gl via a reverse-biased Zener diode Z 1, A 2 correspondingly via Z 2 to G 2 by choosing the Zener voltages of Zl and Z2 without having to take into account the ignition voltages on the lines A 1, K1 and A 2, K2 that fluctuate within certain ranges. In the case where 7 is positively biased by a contact voltage compared to 8 , the ignition of Tl with increasing contact voltage amplitude takes place at the point in time at which the Zener voltage of Tl is exceeded by the contact voltage by the ignition voltage to be applied to the path Gl, Kl . An analogous ignition process results at T2 for the opposite polarity of the contact voltage.

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.According to a further circuit variant, the control electrodes G 1, G 2 are connected directly to the assigned semiconductor anodes A 1, A 2. This results in a certain reduction in the interference protection effect insofar as only interference voltages whose amplitude is smaller than the breakdown voltage of the four-layer semiconductor triodes to be applied in the forward direction between grid and cathode, but on the other hand, the triodes are also ignited at significantly lower values the contact voltage than with the other circuit variants.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for protection against contact voltages on electrical communications equipment, in which a neutral lead is placed on the touchable conductive device parts, characterized in that an anti-parallel connection of two four-layer semiconductor trodes (T1, T2), in particular with unconnected control electrodes ( Four-layer semiconductor diodes), is switched on.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor anodes (A 1, A 2) are each connected to the associated control electrodes (G 1, G 2) via a reverse-polarized Zener diode (Z 1, Z 2). 3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor anodes (A 1, A 2) are each directly connected to the associated control electrodes. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1117 151, 1 105 972; K. Maier, "Trockengleichrichter", 1938, p. 268; "Electronics", 1959, issue 10, p. 319.