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Schutzeinrichtung für die Ein- und/oder Ausgänge elektrischer, insbesondere
elektronischer Geräte Elektrische Geräte, wie z. B. Meßgeräte, die nicht nur mit
dem Netz verbunden sind, sondern die auch noch andere Klemmen oder Buchsen aufweisen,
an die von außen Spannungen oder Ströme angelegt werden müssen bzw. aus denen Spannungen
oder Ströme abgenommen werden können, sind dadurch gefährdet, daß sie durch Anschaltung
einer zu großen Spannung oder einer zu starken Belastung beschädigt bzw. zerstört
werden. Diese Gefahr ist natürlich verhältnismäßig gering, wenn die Geräte aus gegen
Uberspannungen bzw. Belastungen verhältnismäßig robusten Bausteinen aufgebaut sind,
die sehr große tZberspannungen bzw. Überlastungen vertragen, wie z. B. Röhren. Die
Gefahr wird dagegen sehr groß, wenn diese Geräte an ihren Eingängen und/oder Ausgängen
gegen Überspannungen oder zu große Belastungen relativ empfindliche Bauelemente,
z. B. Transistoren, enthalten. In solchen Fällen werden bis jetzt, um die den Eingängen
bzw. den Ausgängen am nächsten liegenden Halbleiterverstärkerelemente zu schützen,
Widerstände in die Ein- bzw. Ausgänge geschaltet, oder es werden Übertrager oder
Kondensatoren, spannungsabhängige Widerstände oder Ringmodulatoren verwendet, um
die Aus- bzw. Einführungen von den Halbleiterverstärkern oder sonstigen empfindlichen
Bau- oder Verstärkerelementen zu trennen. Dabei bringt die Verwendung von Uebertragen
den Nachteil, daß Übertrager selbst gegen zu hohe Ströme, insbesondere zu hohe Gleichströme,
geschützt werden müssen, wozu dann in der Praxis in Reihe mit dem Übertrager ein
Kondensator geschaltet wird. Ferner haben Übertrager den Nachteil, daß sie selbst
bei entsprechendem Aufwand einen wenn auch geringen Frequenzgang besitzen, und schließlich,
und dies ist der Hauptnachteil, lassen sich über Übertrager nur Wechselspannungen,
aber keine Gleichspannungen hinwegführen, so daß also ein Gerät, das einen Übertragereingang
und/oder einen Übertragerausgang besitzt, nur Wechselspannungen verarbeiten kann.
Ganz abgesehen davon, haben Übertrager einen bei einem Meßgerät oft sehr erheblich
ins Gewicht fallenden Preis.
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Kondensatoren weisen im genannten Zusammen hang etwa dieselben Nachteile
auf wie Übertrager, insbesondere verhindern sie ein Fließen von Gleichstrom, was
sie zum Schutz für viele moderne Geräte, insbesondere moderne Meßgeräte, ungeeignet
macht.
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Schließlich bewirken Kondensatoren auch nicht wie Übertrager unbedingt
eine Begrenzung der Spannung, da bei Kondensatoren kein Sättigungseffekt eintritt.
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Es kämen also für Geräte mit Gleichspannungsverhalten zunächst Widerstände
als Schutz für Ein-
und Ausgänge in Betracht. Widerstände in den Eingängen haben
jedoch den Nachteil, daß dadurch die Empfindlichkeit des Einganges herabgesetzt
wird. Um die Empfindlichkeit wieder auf den alten Stand zu bringen, ist es notwendig,
zusätzlich Verstärkerelemente einzusetzen. Dies bringt einmal eine Verteuerung des
Gerätes mit sich, zum anderen steigert es die Unsicherheit, denn je weniger verstärkt
werden muß, desto sicherer kann eine bestimmte Verstärkung eingehalten werden. Außerdem
ist es bei Gleichspannungsverstärkern ein immer noch nicht genügend gelöstes Problem,
den Nullpunkt konstant zu halten, und diese Schwierigkeit wächst natürlich ebenfalls
mit steigender Verstärkung.
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Ausgänge, die durch einen Widerstand geschätzt sind, sind nicht mehr
niederohmig, und dies allein ist schon der Grund, warum oft auf einen Schutz des
Ausgangs überhaupt verzichtet wird zugunsten seiner Niederohmigkeit. Außerdem ist
ein Widerstand im Ausgang durch die Ausgangsleistung, die von den betreffenden Geräten
gefordert wird, in seiner Höhe sehr wohl begrenzt, so daß in der Praxis durch einen
Widerstand im Ausgang wohl ein Schutz gegen Überlastung erreicht werden kann, jedoch
nicht gegen von außen angelegte Überspannungen.
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Spannungsabhängige Widerstände verringern zwar den Störeffekt bei
gleichbleibendem Nutzeffekt, im Prinzip weisen sie jedoch dieselben Nachteile auf
wie
lineare Widerstände. Es bleiben noch Ringmodulatoren. Mit diesen
läßt sich zwar Gleichspannung übertragen, auch ist die Dämpfung im Durchlaßbereich
gering und im Sperrbereich groß, jedoch ist ein Ringmodulator aus vier Gleichrichtern
aufgebaut, während die Schaltungsanordnung, die der Erfindung zugrunde liegt, mit
zwei Gleichrichtern auskommt.
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Um nun einen Schutz gegen Überspannungen für die Eingänge zu erreichen,
diesen ihr Gleichspannungsverhalten zu belassen und gleichzeitig nichts von ihrer
Empfindlichkeit zu nehmen, weiterhin um Ausgängen ihre Niederohmigkeit zu belassen,
diese Ausgänge gleichzeitig gegen Überlastung unempfindlich zu machen und gegen
von außen angelegte tJberspannungen zu schützen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
in Serie zu den Ein- und/oder Ausgängen von elektrischen Geräten, insbesondere Meßgeräten,
zwei gegeneinandergeschaltete Gleichrichterstrecken zu legen, wobei der Verbindungspunkt
der beiden Gleichrichterstrecken über einen Widerstand an eine geerdete erste Hilfsspannungsquelle
angeschlossen ist und die dem Verbindungspunkt abgewandten Elektroden der beiden
Gleichrichterstrecken über je einen Widerstand an eine zweite und dritte Hilfsspannungsquelle
angeschlossen sind mit gegenüber der ersten entgegengesetzten Polaritäten, so daß
die am Eingang der Schutzeinrichtung anliegende variable Spannung am Ausgang auf
einen bestimmten Wert begrenzt wird, und daß weiterhin auch der Ausgangsstrom einen
gewissen Wert nicht überschreiten kann.
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Die Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Eingangsschaltung,
bei der die beiden Gleichrichter Gll und G12 mit ihren Anoden verbunden sind und
wo die Kathode des Gleichrichters Gl 1, die gleichzeitig den Eingang E darstellt,
über einen Widerstand R 1 von einer negativen Spannung her gespeist wird und wo
die Kathode des Gleichrichters G12 über einen Widerstand R 2 ebenfalls von einer
negativen Spannung her gespeist wird und wo die Anoden der beiden Gleichrichter
von einer positiven Spannung her über einen Widerstand R 3 gespeist werden. Der
Eingang ist in dem aufgezeigten Beispiel unsymmetrisch, die Eingangsklemme E' liegt
an Masse. Von der eben beschriebenen Schutzschaltung wird das eigentliche Gerät
gespeist, das in der Fig. 1 durch den Widerstand RG zwischen dem Verbindungspunkt
von G12 mit R2 und Masse angedeutet ist. Die Widerstände R 1, R2 und R 3 und die
Spannungen - U1, - U2 und + U3 müssen nun zunächst so aufeinander abgestellt sein,
daß im Ruhestand, also bei offenem Eingang, die Spannung zwischen E und E' und damit
auch die Spannung an RG gleich Null ist. Wird nun das Potential an der Eingangsklemme
E in negativer Richtung geändert, so ändert sich auch das Potential am Punkt A in
der gleichen Weise. Da zunächst beide Gleichrichter Gl 1 und Gel 2 infolge der von
den Hilfsquellen erzeugten Ströme durchlässig sind, liegt zwischen dem Punkt E und
dem Punkt A nur die Summe der Durchlaßwiderstände der beiden Gleichrichter. Dieser
Widerstandswert kann normalerweise im Hinblick auf die übrigen in der Schaltung
vorkommenden Widerstände vernachlässigt werden. Der Eingang E ist also mit dem Ausgang
der Schutzschaltung praktisch widerstandslos verbunden. Dies ist jedoch nur so lange
der Fall, bis beim immer Negativerwerden der Eingangsklemme E der Punkt A die Spannung
erreicht hat, bei der der über den Widerstand R 2 fließende Strom
gleich dem über
den Widerstand RG fließenden Strom wird. Diese Spannung hat den Wert U2. RG R2+RG
Bei diesem Wert der Spannung sperrt der Gleichrichter Gl 2, und ein weiteres Negativerwerden
des Eingangs E hat nicht ein weiteres Negativerwerden des Ausgangspunktes A zur
Folge. Es soll nun angenommen werden, daß der Punkt E, vom Potential Null beginnend,
immer positiver wird. Auch in diesem Falle folgt das Potential des Punktes A dem
des Punktes E, da ja auch hier zunächst beide Gleichrichterstrecken Gl 1 sowie G12
leitend sind. Hat die Spannung an E und damit an A einen solchen Wert erreicht,
daß der Strom, der über den Widerstand R 3 fließt, gleich der Summe der Ströme über
die WiderständeR2 und RG ist, so sperrt der Gleichrichter Gl 1 und verhindert ein
weiteres Positiverwerden des Punktes A. Die Spannung, bei der dies geschieht, errechnet
sich nach der Formel R2 U3-R3 U2 +R 3 +R 2 RG Der Widerstand RG, der den eigentlichen
Eingang des Gerätes darstellt, ist also über die Schutzschaltung nur innerhalb bestimmter
Spannungsgrenzen mit dem Eingang E verbunden. Über- oder unterschreitet das Potential
am Eingang E die genannten Grenzen, so folgt der Eingang A dem Eingang E nicht mehr.
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Die Fig. 2 zeigt diesen Zusammenhang zwischen der Spannung U1 an
der Klemme E und der Spannung U2 an der Klemme A für einen Geräteeingangswiderstand
RG = oo.
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Die Fig. 3 zeigt für denselben Fall die Abhängigkeit des Stromes
11 an der EingangsklemmeE von der Spannung U1.
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Wird nun die Schutzschaltung der Fig. 1 nicht im Eingang eines Gerätes
verwandt, sondern im Ausgang, so ist der Punkt A mit den Ausgangsklemmen des Gerätes
zu verbinden und der Punkt E innerhalb des Gerätes, z. B. mit dem letzten Verstärkerausgang.
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Der Verstärkerausgang wird dann natürlich auch gegen zu hohe, vom
Ausgang A her aufgebrachte Spannungen geschützt, und zwar in derselben Weise, wie
bei der Beschreibung der Anwendung der Schutzschaltung als Eingangsschaltung bereits
erwähnt wurde. Bei Belastung durch den Widerstand RG folgt nun der Punkt A in seinem
Potential dem Punkt E ebenfalls wieder so lange in negativer Richtung, bis der Strom
über den Widerstand R 2 gleich dem Strom über den Widerstand RG ist, und in positiver
Richtung solange, bis die Summe der Ströme über die Widerstände R2 und RG gleich
dem Strom über den Widerstand R 3 ist. Das heißt also, daß der Ausgang A innerhalb
bestimmter Grenzen niederohmig ist und daß sich die Spannung am Ausgang, falls diese
Grenzen überschritten werden, nicht weiter ändert. Der auf den Punkt E wirkende
Generator wird auch bei einem Kurzschluß des Punktes A gegenüber Erde nicht überbelastet,
denn bei negativen Spannungswertenwird der Gleichrichter G12 geschlossen, während
bei positiven Spannungswerten an E der GleichrichterG11 gesperrt wird. Die Abhängigkeit
zwischen Strom und
Spannung an E für den Kurzschlußfall zeigt die
Fig. 4.
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In der Fig.S wird schließlich noch, ebenfalls für den Kurzschlußfall,
der Zusammenhang zwischen der Spannung U 1, zwischen E und E' und dem Strom am Ausgang
A dargestellt.
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Natürlich beschränkt sich die Erfindung nicht darauf, daß, wie in
der Fig. 1 angedeutet, zwei tatsächliche Gleichrichter vorhanden sind, vielmehr
können jeder für sich oder beide Gleichrichter durch Gleichrichterstrecken ersetzt
werden, z. B. durch PN-tSbergänge von Transistoren.
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Die Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung, bei der der Widerstand R
1 sowie der Gleichrichter Gel 1 durch einen Transistor ersetzt sind.
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Es ist auch möglich, daß über die Eingangs- bzw.
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Ausgangsschutzschaltung nur Spannungen bzw.
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Ströme einer Polarität begrenzt werden sollen. In diesem Falle werden
in der Fig. 1 ein Gleichrichter, ein Widerstand und eine Spannungsquelle überflüssig.
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Soll der Schutz nur gegenüber negativen Polaritäten aufrechterhalten
bleiben, mit denen der Punkt E beaufschlagt wird, bzw. gegenüber positiven Polaritäten,
die am Punkt A angelegt werden, so kann der Gleichrichter Gl 1 durch eine widerstandslose
Verbindung ersetzt werden, während der Widerstand R 1 sowohl wie die Spannungsquelle
- U 1 in Fortfall geraten können. Wird ein Schutz nur gegen positive Polaritäten,
die auf den Punkt E einwirken, verlangt bzw. für negative Polaritäten, die dem Punkt
A aufgezwungen werden, so gilt das Entsprechende für Gleichrichter Gl 2, den Widerstand
R 2 und die Spannungsquelle -U2.