DE69315753T2

DE69315753T2 - Schaltung für Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE69315753T2
Application number: DE69315753T
Authority: DE
Inventors: Philippe Hugel; Jean-Pierre Weiss
Original assignee: SERD SOC ET REALISA DISJONCT
Current assignee: SERD SOC ET REALISA DISJONCT
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2013-06-24
Also published as: DE576356T1; ATE161365T1; EP0576356A1; FR2693050B1; EP0576356B1; DE69315753D1; FR2693050A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler und einem Auslöser, dessen Erregerspule über eine von der Netzspannung unabhängige Auslöseschaltung an die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers angeschlossen ist, mit einer Gleichrichterschaltung, welche mindestens einem Speicherkondensator die zur Betätigung des Auslösers benötigte Energie zuführt, sowie mit einem in Abhängigkeit von der Ladespannung des Speicherkondensators steuerbaren elektronischen Schalter zur Freigabe dieser Energie an die Erregerspule des Auslösers.
Da Fehlerstromschutzschalter auch unter wechselnden Einsatzbedingungen hohen Sicherheitsanforderungen zu genügen haben, kommt ihrem Schaltverhalten, insbesondere ihrem temperaturunabhängigen Schaltverhalten, erhöhte Bedeutung zu. Bisher wurden u.a. Feldeffekt-Transistoren als spannungsabhängige elektronische Schalter eingesetzt, um den hohen Eingangswiderstand dieser Bauteile zu nutzen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bauteilbedingte Streuungen von bis zu 50 % und eine starke Temperaturabhängigkeit der Gate-Ansteuerspannungen zusätzlichen kostenträchtigen schaltungstechnischen Aufwand und individuellen Abgleich der Schaltungen erfordern.
Demzufolge besteht eine der Aufgaben der Erfindung darin, einen Fehlerstromschutzschalter mit einem kostengünstigen elektronischen Schalter zu schaffen, dessen vorgeschriebenes Auslöseverhalten auch unter verschiedenen Einsatzbedingungen sicher eingehalten wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Fehlerstromsahutzschalter mit einem Summenstromwandier und einem Auslöser vorgesehen, dessen Erregerspule über eine von der Netzspannung unabhängige Auslöseschaltung an die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers angeschlossen ist, mit einer Gleichrichterschaltung, welche mindestens einem Speicherkondensator die zur Betätigung des Auslösers benötigte Energie zuführt, sowie mit einem in Abhängigkeit von der Ladespannung des Speicherkondensators steuerbaren elektronischen Schalter zur Freigabe dieser Energie an die Erregerspule des Auslösers, wobei der elektronische Schalter eine Kaskadenschaltung mit zwei Transistoren aufweist, die durch eine Schaltung mit einem Schweliwertschalter ansteuerbar sind, welcher Fehlerstromschutzschalter dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schweliwertschalter eine in Sperrichtung betriebene Mikro- Zenerdiode ist, die auf Seiten des Summenstromwandlers an eine zur Gleichrichterschaltung gehörende Diode angeschlossen ist, welche parallel zu einer Serienschaltung aus einer Diode und dem Speicherkondensator geschaltet ist, so daß die an ihr anliegende Spannung größer ist als die am Speicherkondensator anliegende Spannung, und daß der elektronische Schalter einen Schweliwertschalter mit geringen Verlusten und hohem Eingangswiderstand bildet, dessen spannungsabhängiges Schaltverhalten im wesentlichen durch die Mikro-Zenerdiode bestimmt ist.
Die Mikro-Zenerdiode weist ein temperaturunabhängiges und mit geringer Bauteilstreuung behaftetes spannungsabhängiges Schaltverhalten auf und reduziert somit auch die zusätzlichen durch den Abgleich der Schaltung verursachten Herstellungskosten. Da die Mikro-Zenerdiode unterhalb ihrer Zener-Duchlaßspannung einen sehr hohen Eingangswiderstand aufweist, treten in der Steuerstrecke des elektronischen Schalters unterhalb der Schaltschwelle nur geringe Verluste auf.
Ist die Mikro-Zenerdiode einer zweistufigen Transistorverstärkungsschaltung vorgeschaltet, ergeben sich auch oberhalb der Schaltschwelle nur geringe Verluste in der Steuerstrecke des elektronischen Schalters. Bei einer Mikro-Zenerdiode mit einer Zenerspannung von 2,5 V war bereits ein Steuerstrom von 20 µA ausreichend, um den elektronischen Schalter zu betätigen.
Da die Lastschaltstrecke der zweistufigen Transistorverstärkungsschaltung im nichtleitenden Zustand einen sehr hohen und im leitenden Zustand einen sehr geringen Widerstand aufweist, sind auch die Verluste im Lastschaltkreis sehr gering.
Die Schaltgenauigkeit wird erhöht und läßt sich in ihrer Zeitabhängigkeit durch Wahl eines in Serie mit der Mikro-Zenerdiode geschalteten Widerstands in einfacher Weise justieren, wenn die Gleichrichterschaltung eine im Vergleich zu einer Halbwellengleichrichtung erhöhte Gleichspannung erzeugt, welche zur Betätigung des elektronischen Schalters dient. Diese erhöhte Gleichspannung ist mit zwei Dioden erreichbar, von denen die erste Diode parallel zu einer Serienschaltung aus der zweiten Diode und dem Speicherkondensator geschaltet ist.
Ist die Erregerspule des Auslösers mit dem Speicherkondensator und der Lastschaltstrecke in Serie geschaltet, kann dadurch die Leistungsabgabe des Speicherkondensators an die Erregerspule für den Auslösevorgang optimiert werden.
Mit einer Freilaufdiode, die in Sperrichtung in Bezug auf die am Speicherkondensator anliegende Spannung parallel zu der Erregerspule des Auslösers angeschlossen ist, läßt sich die im Speicherkondensator gespeicherte Energie besser für den Auslösevorgang nutzen und können induktive Spitzen der Erregerspule beim Schalten abgefangen werden.
Fehlerstromschutzschalter lassen sich in Abhängigkeit von ihrem stromabhängigen zeitlichen Auslöseverhalten generell in zwei Kategorien, in selekive und in nichtselektive, auch als klassisch bezeichnete, Fehlerstromschutzschalter unterteilen.
Fehlerstromschutzschalter mit einem nichtselektiven Auslöseverhalten haben einem in jeweiligen nationalen Normen festgelegten stromabhängigem zeitlichen Auslöseverhalten zu genügen. Dieses Auslöseverhalten ist z.B. in Deutschland in der Norm VDE 0664 und in Frankreich in der Norm NF C 61-140 festgelegt, die beide bei dem spezifizierten Nennstrom eine Auslöseverzögerung von maximal 0.2 s vorschreiben. Zur Einhaltung dieser Werte wurden bisher Summenstromwandler mit erheblichen Windungszahlen und einem nicht zu vernachlässigenden Gewicht des Summenstromwandlers eingesetzt.
Da aber sowohl das Gewicht des Summenstromwandlers als auch seine Windungszahlen stark zu den Kosten eines Fehlerstromschutzschalters beitragen, liegt eine der weiteren Aufgaben der Erfindung in der Schaffung eines Fehlerstromschutzschalters mit einem kostengünstigen leichten Summenstromwandler. Hierzu ist vorgesehen, daß die Primärwicklung des Summenstromwandlers nur eine einzige Windung pro Phase aufweist und eine Resonanzanpassung des Summenstromwandlers an die Auslöseschaltung vorliegt.
Resonanzanpassung im Sinne der Erfindung liegt vor, wenn ein wesentlicher Teil der vom Summenstromwandler zur Verfügung gestellten Energie nicht durch Fehlanpassung der Impedanz der Sekundärspule des Summenstromwandlers an die Eingangsimpedanz der Auslöseschaltung für die Betätigung des Auslösers verlorengeht, sondern bei der Netzfrequenz in optimierter Weise in Resonanz genutzt wird.
Die Verwendung nur einer Windung pro Phase für die Primärwicklung des Summenstromwandlers erlaubt es, den aus einer Eisenlegierung bestehenden Kern des Summenstromwandlers kleiner und somit leichter auszubilden. Gute Erfolge wurden u.a. mit 12 % kleineren Eisenlegierungskernen erzielt.
Da die geringe Gesamtwindungszahl der Primärwicklung zu einer verringerten Gesamtlänge der Wicklungsdrähte führt, kann bei gleichem Spulenwiderstand ein geringerer Drahtquerschnitt verwendet werden. Bei einer Reduzierung der Primärwicklung von z.B. zwei Windungen pro Phase auf eine Windung pro Phase ergibt sich bereits eine Verringerung des Drahtquerschittes von 25 %. Ohne oder mit geringerer Reduzierung der Drahstärke wirkt sich die kürzere Primärwicklung günstig auf die Verlustwärme des Summenstromwandlers aus, was bei einem üblichen Nennstrom von 63 A und einer maximal erlaubten Temperatur von 60 ºC durchaus beachtlich werden kann.
Die erwünschte Resonanzanpassung lässt sich kostengünstig dadurch erreichen, daß die Auslöseschaltung jeweils einen parallel und einen in Serie zu den Eingangsanschlüssen geschalteten Kondensator aufweist. Durch Modifikation des Verhältnisses der Kapazitäten beider Kondensatoren zueinander läßt sich die komplexe Eingangsimpedanz der Auslöseschaltung beeinflussen und an die Impedanz der Sekundärspule des Summenstromwandlers anpassen.
Da Fehlerströme in der Regel mit der Netzfrequenz auftreten, kann die Anpassung der maximalen in Resonanz vom Summenstromwandler an die Auslöseschaltung gelieferten Leistung bei dieser Frequenz durch Wahl der Absolutwerte der Kapazitäten der Kondensatoren vorgenommen werden.
Aufgrund der wachsenden Bedeutung selektiver Fehlerstromschutzschalter sollen auch derartige Fehlerstromschutzschalter in erfindungsgemäßer Weise weitergebildet werden.
Selektive Fehlerstromschutzschalter haben ein stromabhängig zeitverzögertes Auslöseverhalten, welches in den verschiedenen europäischen und außereuropäischen Ländern festgelegte Grenzwerte erfüllen muß und unter anderem für Frankreich in der Norm NF C 62-411 und für die Bundesrepublik Deutschland in der VDE 0664 festgelegt ist. Selektive Fehlerstromschutzschalter haben als Sonderausführung die Aufgabe, aufgrund ihrer Auslöseverzögerung in verzweigten Anlagen, in denen sowohl die Hauptverteilung als auch die unterverteilung und die dazwischen liegenden Anlagenteile in die Fehlerstromschutzschaltung einbezogen sind, ein Ausschalten aller an die Hauptverteilung angeschlossenen Geräte im Falle eines Isolationsfehlers nach der Unterverteilung zu verhindern.
Zu diesem Zwecke sind verschiedene Bauausführungen selektiver Fehlerstromschutzschalter hergestellt worden. Beispielhaft sei die DE-OS 38 07 935 genannt, in welcher ein derartiger Schutzschalter beschrieben ist, welcher zwar den gestellten Anforderungen an das stromabhängige Ansprechverhalten dauerhaft genügt, aber einen Summenstromwandler aufweist, der mit einer hohen Windungszahl seiner Sekundärwicklung kostenintensiv in der Herstellung ist. Die Sekundärwicklung mit oft über 400 Windungen muß nämlich aufgrund der Geometrie und der geringen baulichen Abmessungen maschinell mit besonderen Bewicklungsvorrichtungen und unter Zuhilfenahme eines vorbewikkelten Schiffchens auf den ringförmigen Kern aufgebracht werden. Mit geringen Windungszahlen der Sekundärwicklung und dadurch preisgünstigen Summenstromwandlern kommen bisher nur die herkömmlichen nichtselektiven, als klassisch bezeichneten Fehlerstromschutzschalter aus.
Nachteilig für die Herstellung von Fehlerstromschutzschaltern ist weiterhin, daß selektive und klassische Fehlerstromschutzschalter wegen ihrer jeweiligen schaltungstechnischen Unterschiede in verschiedenen Fertigungsgängen auf verschiedenen Fertigungsstraßen hergestellt werden.
Um beide Arten von Fehlerstromschutzschaltern auch auf einer einzigen Fertigungsstraße herstellen zu können, ist vorgesehen, daß die Sekundärwicklung des Summenstromwandlers eine geringe Windungszahl aufweist und an die Primärwicklung eines Transformators angeschlossen ist, dessen Sekundärwicklung an die Gleichrichterschaltung angeschlossen ist.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß es bereits durch diese einfache schaltungstechnische Verbesserung des bekannten Fehlerstromschutzschalters möglich ist, bei Verwendung eines geeigneten Transformators und der geeigneten Windungszahl der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers sowohl den kostengünstigen Summenstromwandler eines klassischen Fehlerstromschutzschalters als auch dessen elektronische Schaltungseinheiten für die Herstellung eines selektiven Fehlerstromschutzschalters zu verwenden. Dies ist entgegen den bisherigen Erwartungen bereits mit einer äußerst geringen Windungszahl der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers möglich, obwohl der zusätzliche Transformator prinzipiell auch zusätzliche Energieverluste mit sich bringt. Dabei können dennoch die in den jeweiligen Ländern vorgeschriebenen Anforderungen an das stromabhängige Zeitverhalten des selektiven Fehlerstromschutzschalters zuverlässig erfüllt werden.
Wenn darüber hinaus die Sekundärwicklung des Transformators an einen Widerstand angeschlossen ist, welcher zur Sekundärwicklung parallel geschaltet ist, kann sowohl der effektive Eingangswiderstand als auch der effektive Ausgangswiderstand der Schaltung aus Transformator und Widerstand eingestellt werden und entweder diese an eine Vielzahl von verschiedenen Fehlerstromschutzschaltern angepaßt oder das Zeit- oder Leistungsübertragungsverhalten beeinflußt werden.
Durch die geeignete Anpassung des Summenstromwandlers, insbesondere der Windungszahl der Sekundärwicklung, und des Widerstandes ist es möglich, daß als Transformator kostengünstig ein normaler HF-Transformator mit einem Ferritkern benutzt wird.
Ein sehr effektiver überspannungsschutz für den Fehlerstromschutzschalter, insbesondere bei Blitzeinschlägen, ergibt sich dadurch, daß zwischen der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers und der Primärwicklung des Transformators ein Paar Dioden derart antiparallel zwischengeschaltet ist, daß unterhalb ihrer Durchlaßspannung im wesentlichen kein Strom fließt und oberhalb derselben im wesentlichen der gesamte Strom fließt.
Fertigungstechnisch vorteilhaft läßt sich durch Einfügung einer einzelnen Baueinheit aus einem klassischen Fehlerstromschutzschalter ein selektiver Fehlerstromschutzschalter herstellen, wenn der Transformator und die elektronische Schaltung sowie ggf. die Dioden auf derselben Platine montiert sind, welche mit Anschlüssen zur Sekundärwicklung des Summenstromwandlers und Anschlüssen zu dem Auslöser des klassischen Fehlerstromschutzschalters ausgestattet ist.
Die von dem Summenstromwandler gelieferte Energie wird mit geringen Verlusten und hohen Spannungswerten nutzbar umgesetzt, wenn die Gleichrichterschaltung eine doppelte Haibwellengleichrichtungschaltung mit zwei Speicherkondensatoren und zwei Dioden ist, bei welcher die zwei Speicherkondensatoren jeweils einerseits mit dem einen Anschluß der Sekundärwicklung des Transformators verbunden sind und andererseits über jeweils eine der Dioden an den anderen Anschluß der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen sind.
Die DE-A-2 530 456 beschreibt einen Fehlerstromschutzschalter, der selbst im Falle sehr schwacher Fehlerströme die zum Auslösen notwendige Energie liefern muß und bei dem folglich die Ansprechempfindlichkeit optimiert wurde.
Im übrigen ist in der DE-A-2 530 456 die zum Einsatz kommende Steuerstrecke des elektronischen Schalters nicht erläutert.
Die FR-A-2 036 941 beschreibt einen Fehlerstromschutzschalter, dessen Versorgung von außen kommt, sei es vom Netz oder einer eigenen Stromquelle, wie z. B. einer Batterie. Die Versorgung wird demnach nicht wie bei der vorliegenden Erfindung aus dem Fehlerstrom selbst bezogen.
Es handelt sich somit um einen von dem erfindungsgemäßen prinzipiell unterschiedlichen Fehlerstromschutzschalter.
Schließlich beschreibt auch die US-A-3,697,810 einen Fehlerstromschutzschalter mit einer äußeren Versorgung, der zur Erfüllung besonderer Anforderungen aus einer sehr großen Anzahl von Teilen besteht.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters;
Fig. 2 als zweite Ausführungsform ein schematisches Schaltbild eines selektiven erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschalters.
Der erfindungsgemäße Fehlerstromschutzschalter weist in einer ersten Ausführungsform einen Summenstromwandler 1 auf, dessen Kern 2 die Phasen eines nur schematisch dargestellten Netzleiters 3 umgreift. Der Netzleiter 3 kann aus zwei oder mehreren Phasen bestehen, die jeweils eine Windung der primärseitigen Wicklung des Summenstromwandlers 1 bilden.
Die Sekundärwicklung 4 des Summenstromwandlers 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 550 Windungen auf und ist mit der Auslöseschaltung 5 durch Anschlußpunkte E1, E2 verbunden.
Eingangsseitig weist die Auslöseschaltung 5 einen zur Sekundärwicklung 4 parallel geschalteten Kondensator 6 und einen zur Sekundärwicklung 4 in Serie geschalteten Kondensator 7 auf, wobei das Verhältnis der Kapazitäten von Kondensator 6 zu Kondensator 7 vorzugsweise 1 zu 10 beträgt.
Beide Kondensatoren 6, 7 sind zusammen über eine erste Diode 8 mit der aus den Dioden 8, 9 und dem Speicherkondensator 10 bestehenden Gleichrichterschaltung 11 verbunden.
Die Kondensatoren 6, 7, die Gleichrichterschaltung 11 und die Sekundärseite 4 des Summenstromwandlers 1 bilden unterhalb der Schaltschwelle des elektronischen Schalters 12 einen resonanten Kreis, der derart abgestimmt ist, daß bei einem Fehlerstrom mit etwa Netzfrequenz eine maximale Leistungsübertragung der im Summenstromwandler 1 aufgenommenen elektrischen Leistung an die Auslöseschaltung 5 stattfindet. Zum Erreichen dieser Resonanzanpassung ist das Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren 6, 7 und sind deren Absolutwerte im Hinblick auf die Induktivität der Sekundärwicklung 4 optimiert.
In der Gleichrichterschaltung 11 ist die erste Diode 8 parallel zu einer Serienschaltung aus der zweiten Diode 9 und dem Speicherkondensator 10 angeschlossen, so daß an der Diode 8 eine höhere Spannung als an dem Speicherkondensator 10 anliegt. Diese erhöhte Spannung ist der Mikro-Zenerdiode 13 über einen zur Spannungsanpassung vorgesehenen Widerstand 14 zugeführt.
Da die an der Mikro-Zenerdiode 13 über den Widerstand 14 anliegende Spannung im wesentlichen der Ladekurve des Speicherkondesators 10 folgt, kann durch Wahl des Widerstands 14 die Höhe dieser zeitabhängig ansteigenden Spannung und somit das Zeitverhalten des elektronischen Schalters 12 beeinflussst werden.
Mit verschiedenen Widerständen 14 kann den verschiedenen vorgeschriebenen Normen für das zeitliche stromabhängige Auslöseverhalten von Fehlerstromschutzschaltern entsprochen werden.
Die Mikro-Zenerdiode 13 steuert die Basis des Transistors 15 über eine Paralleischaltung aus einem Widerstand 16 und einem Kondensator 17 an. Der Kollektor des Transistors 15 ist mit einem im Lastschaltkreis liegenden Widerstand 18 und der Basis des Transistors 19 verbunden. Hierdurch wird eine kaskadierte zweistufige Transistorverstärkungsschaltung mit hoher Stromverstärkung gebildet, die bereits mit einem Zenerstrom von 20 µA in den leitenden Zustand schaltbar ist. Die Mikro- Zenerdiode weist hierbei eine Zenerspannung von 2,5 V auf.
Der aus der Mikro-Zenerdiode 13, den Transistoren 15, 19, den Widerständen 16, 18 und dem Kondensator 17 gebildete elektronische Schalter 12 ist ein Schweliwertschalter, der im wesentlichen durch das spannungsabhängige Verhalten der in Sperrichtung betriebenen Mikro-Zenerdiode 13 bestimmt ist und im nichtleitenden Zustand sowohl in der Steuerstrecke als auch in der Lastschaltstrecke hohen Widerstand aufweist.
Zu der Lastschaltstrecke des elektronischen Schalters 12 ist sowohl der Speicherkondensator 10 als auch die Erregerspule 20 des nur teilweise in der Figur 1 dargestellten Auslösers in Serie angeschlossen.
Parallel zu der Erregerspule 20 ist in Bezug auf die am Speicherkondensator 10 anliegende Spannung eine Freilaufdiode 21 in Sperrichtung angeschlossen.
Der in der Figur 1 nicht dargestellte Teil des Auslösers ist mit seinen Kontakten derart in die Netzleiter 3 zwischengeschaltet, daß es bei einer Auslösung des Fehlerstromschutzschalters zu einer vollständigen galvanischen Trennung zwischen dem verbraucherseitigen und dem speisenden Netz kommt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 2 eine weitere Ausführungsform beschrieben, bei welcher der Fehlerstromschutzschalter ein selektives zeitliches Ansprechverhalten aufweist.
Der insgesamt mit 22 bezeichnete selektive Fehlerstromschutzschalter weist einen Summenstromwandler 23 auf, welcher an die Primärseite eines Transformators 27 angeschlossen ist, der mit seiner Sekundärseite an eine von der Netzspannung unabhängige Auslöseschaltung 33 angeschlossen ist. Sie besteht hauptsächlich aus einer Gleichrichterschaltung 26, welche Speicherkondensatoren 34, 35 enthält zur Speicherung der Energie zur Auslösung eines Auslösers 36, welcher in Figur 2 nur mit seiner Erregerwicklung 37 dargestellt ist, und aus einem steuerbaren elektronischen Schalter 38 mit Mitteln 39 zu dessen Ansteuern in Abhängigkeit der Ladespannung der Gleichrichterschaltung 26.
Der Summenstromwandler 23 umschließt schematisch dargestellte Leitungen 24 mit mindestens zwei Adern eines beliebigen Netzes, welches in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein 220 V oder 115 V Wechselstromnetz mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz ist. Die Sekundärwicklung 25 des Summenstromwandlers 23 ist auf seinen ringförmigen Kern gewickelt. Ihre Windungszahl soll erfindungsgemäß sehr gering sein und beträgt in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 4 bis 9 Windungen, wobei sich ein besonders günstiger Wert für 6 Windungen ergibt, da bereits diese geringe Windungszahl einen äußerst sicheren Betrieb des Fehlerstromschutzschalters ermöglicht.
Mit größeren als den vorstehend aufgeführten Windungszahlen ist die Schaltung ebenfalls funktionstüchtig, wenn das Spannungsübertragungsverhältnis des Transformators entsprechend angepaßt wird, jedoch ergibt sich ein höherer fertigungstechnischer Mehraufwand für die Herstellung der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers, so daß ca. 20 Windungen nicht überschritten werden sollten.
Als geringe Windungszahlen im Sinne der Erf ingung werden Windungszahlen der Sekundärwicklung angesehen, welche durch Verwendung eines beliebigen Transformators geringer sind als die Windungszahlen einer Sekundärwicklung eines Summenstromwandlers ohne den entsprechenden nachgeschalteten Transformator, aber mit in etwa den gleichen Ausgangswerten.
Die Sekundärwicklung 25 des Summenstromwandlers 23 ist an die Primärwicklung 28 des Transformators 27 angeschlossen, welcher mit seiner Sekundärwicklung 29 an die Gleichrichterschaltung 26 angeschlossen ist.
Der Transformator 27 hat bei einer Windungszahl der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers von 6 Windungen vorzugsweise ein derartiges Spannungsübersetzungsverhältnis, daß bei einer Spannung von etwa 60 mV an der Primärwicklung 28 eine Spannung von etwa 3 V an der Sekundärwicklung 29 ansteht.
Es ist bei dem Spannungsübertragungsverhältnis in an sich bekannter Weise zu berücksichtigen, daß in Abhängigkeit von dem verwendeten Material des Kerns des Transformators bei geringen Strömen und geringer Magnetisierung Wandlerverluste auftreten, welche durch entsprechende Korrekturen des Wicklungsverhältnisses von Primär- zu Sekundärwicklung zu kompensieren sind.
Mit den jeweils entsprechenden Korrekturen kann für den Transformator 27 ein normaler HF-Transformator mit einem Ferritkern verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Transformator 27 verwendet, bei dem der eine Anschluß der Primärwicklung 28 und der Sekundärwicklung 29 für beide Wicklungen gemeinsam benutzt wird, wobei der Wicklungsdraht der Primärwicklung 28 einen Durchmesser von z. B. 0,3 mm und der Wicklungsdraht der Sekundärwicklung 29 einen Durchmesser von z. B. 0,05 mm haben kann.
Zwischen dem Summenstromwandler 23 und dem Transformator 27 können Dioden 30, 31 zwischengeschaltet sein, die mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung sowohl zur Sekundärwicklung 25 des Summenstromwandlers 23 als auch zur Primärwicklung 28 des Transformators 27 parallel angeordnet sind. Ihre Schaltung ist derart, daß unterhalb ihrer Diodenspannung im wesentlichen kein Strom fließt und oberhalb ihrer Diodenspannung der gesamte Strom fließen kann.
Ausgangseitig ist an die Sekundärwicklung 29 des Transformators 27, parallel zu dieser, ein Widerstand 32 angeschlossen. Durch ihn kann sowohl der effektive Eingangswiderstand bzw. die effektive Eingangsimpedanz als auch der effektive Ausgangswiderstand bzw. die effektive Ausgangsimpedanz der Schaltung aus Transformator 27 und Widerstand 32 für die schaltungstechnische Anpassung eingestellt werden.
Weiterhin kann zur geeigneten Leistungsanpassung des Summenstromwandlers 23 an den Transformator 27 die effektive Eingangsimpedanz des Transformators 27 zusammen mit der nachgeschalteten Auslöseschaltung 33 und deren Widerstand 32 derart gewählt sein, daß diese Eingangsimpedanz gleich der Ausgangsimpedanz der Sekundärwicklung 25 des Summenstromwandlers 23 ist.
Die Gleichrichterschaltung 26 ist eine doppelte Haibwellengleichrichtungschaltung, bei welcher zwei Speicherkondensatoren 34, 35 sowie zwei Dioden 40, 41 vorgesehen sind, welche den in Reihe geschalteten Speicherkondensatoren 34, 35 jeweils die von dem Transformator 27 abgegebene Energie zuführen und sie derart aufladen, daß sich die Spannungen an den Speicherkondensatoren 34, 35 aufaddieren und damit insgesamt für das steuerbare elektronische Ventil 38 eine Spannung zur Verfügung steht, welche in etwa der doppelten Ladespannung des einzelnen Kondensators 34, 35 entspricht.
Die zwei Kondensatoren 34, 35 sind dabei jeweils mlt ihrem einen Anschluß an den ersten Anschluß der Sekundäricklung 29 des Transformators 27 und jeweils mit ihrem anderen Anschluß an jeweils den einen Anschluß einer Diode 40, 41 angeschlossen, wobei jeweils der andere Anschluß der Diode 40, 41 mit dem zweiten Anschluß der Sekundärwicklung 29 des Transformators 27 verbunden ist.
Parallel zu den beiden Kondensatoren 34, 35 ist ein hochohmiger Widerstand 51 geschaltet, der parasitäre und Restladungen der Kondensatoren 34, 35 abführt und somit für defnierte Ausgangsbedingungen vor der Auslösung des Fehlerstromschutzschalters sorgt, aber wegen der großen Zeitkonstante des aus dem Widerstand 51 und den Kondensatoren 34, 35 gebhideten RC- Gliedes den Auslösevorgang nicht merklich beeinflußt.
Die Gleichrichterschaltung 26 ist mit der Erregerwicklung 37 des Auslösers 36 und dem elektronischen Schalter 3 verbunden, wobei die Erregerwicklung 37 und der elektronische Schalter 38 in Reihe liegen und zu den Speicherkondensatoren 34, 35 parallelgeschaltet sind, so daß beim gesteuerten Öffnen des elektronischen Schalters 38 die in den Kondensatoren 34, 35 gespeicherte Ladung als Strom durch die Erregerwicklung 37 und den elektronischen Schalter 38 abfließt und dabei die in der Zeichnung nicht dargestellten Schaltkontakte des Auslöser 36 betätigt. Dadurch wird der Netzanschluß der Leitungen 24 aufgetrennt.
Die bereits erwähnten Mittel 39 zum Ansteuern des elektronischen Schalters 38 in Abhängigkeit der Ladespannung der Gleichrichterschaltung 26 sorgen dafür, daß sich ein stromabhängiges zeitliches Auslöseverhalten 43 ergibt, wie es in Figur 6 der DE-OS 38 07 935 dargestellt ist, wobei die oben genannten Normen erfüllt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung über einen Transistor 44, dessen Emitter-Basisstrecke in Reihe mit einer Mikrozenerdiode 45 geschaltet ist. Erreicht die an den Speicherkondensatoren 34, 35 anstehende Spannung plus eine Diodendurchlaßspannung die Zenerspannung der Mikrozenerdiode, beginnt ein Zenerstrom zu fließen, welcher über die Basis-Emitterstrecke des Transistors 44 abfließt und diesen öffnet.
Da der Transistor 44 einen Teil des elektronischen steuerbaren Schalters 38 bildet, welcher im weiteren aus einer an sich bekannten Kaskadenschaltung der Transistoren 47, 48 mit den Widerständen 46, 50 und dem Kondensator 49 besteht, und die Kaskadenschaltung eine hohe Stromverstärkung aufweist und im nichtleitenden Zustand der Transistoren 47, 48 der Widerstand der Kaskadenschaltung hoch ist, ergibt sich mit der Mikrozenerdiode 45 und dem steuerbaren elektronischen Schalter 38 ein Schweliwertschalter mit äußerst geringen Verlusten. Zwischen die Mikrozenerdiode 45 und den Speicherkondensator 35 ist die in Flußrichtung betriebene Diode 40 geschaltet. Sie kompensiert mit ihrer in Flußrichtung anstehenden Spannung die an der Emitter-Basisstrecke des Transistors 44 abfallende Spannung. Durch diese Spannungskompensation entfällt im wesentlichen auch das thermische Driftverhalten des Transistors 44, da die Diode 40 ein ähnliches thermisches Driftverhalten aufweist und, da sie in der Nähe des Transistors 44 angeordnet ist, auch im wesentlichen die gleiche Temperatur wie der Transistor 44 hat.
Da die Mikrozenerdiode einen sehr geringen Temperaturgang aufweist, kommt es bei dem Schaltverhalten des steuerbaren elektronischen Schalters 38 insgesamt zu äußerst geringen temperaturbedingten Schwankungen.

Claims

1. Fehlerstromschutzschalter mit einem Summenstromwandler (1, 23) und einem Auslöser, dessen Erregerspule (20, 37) über eine von der Netzspannung unabhängige Auslöseschaltung (5, 33) an die Sekundärwicklung (4, 25) des Summenstromwandlers (1, 23) angeschlossen ist, mit einer Gleichrichterschaltung (11, 26), welche mindestens einem Speicherkondensator (10, 34-35) die zur Betätigung des Auslösers benotigte Energie zuführt, sowie mit einem in Abhängigkeit von der Ladespannung des Speicherkondensators (10, 34-35) steuerbaren elektronischen Schalter (12, 38) zur Freigabe dieser Energie an die Erregerspule (20, 37) des Auslösers, wobei der elektronische Schalter (12, 38) eine Kaskadenschaltung mit zwei Transistoren (15-19, 47-48) aufweist, die durch eine Schaltung mit einem Schwellwertschalter (13, 45) ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertschalter eine in Sperrichtung betriebene Mikro-Zenerdiode (13, 45) ist, die auf Seiten des Summenstromwandlers (1, 23) an eine zur Gleichrichterschaltung (11, 26) gehörende Diode (8, 41) angeschlossen ist, welche parallel zu einer Serienschaltung aus einer Diode (9, 40) und dem Speicherkondensator (10, 34-35) geschaltet ist, so daß die an ihr anliegende Spannung größer ist als die am Speicherkondensator (10, 34-35) anliegende Spannung, und daß der elektronische Schalter (12, 38) einen Schwellwertschalter mit geringen Verlusten und hohem Eingangswiderstand bildet, dessen spannungsabhängiges Schaltverhalten im wesentlichen durch die Mikro-Zenerdiode (13, 45) bestimmt ist.

2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro-Zenerdiode (13, 45) eine Zenerspannung von 2,5 V aufweist und der elektronische Schalter mit einem Zenerstrom von 20 µA betätigbar ist.

3. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung des zeitlichen Auslöseverhaltens des elektronischen Schalters (12, 38) ein Widerstand (14) in Reihe mit der Mikro-Zenerdiode (13) geschaltet ist.

4. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (11, 26) eine im Vergleich zu einer Haibwellengleichrichtung erhöhte Gleichspannung erzeugt, durch die der elektronische Schalter (12, 38) angesteuert ist.

5. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (20, 37) des Auslösers mit dem Speicherkondensator (10, 34-35) und der Lastschaltstrecke des elektronischen Schalters (12, 38) in Serie geschaltet ist.

6. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Freilaufdiode (21) in Sperrichtung in Bezug auf die am Speicherkondensator (10) anliegende Spannung parallel zu der Erregerspule (20) des Auslösers angeschlossen ist.

7. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Summenstromwandlers (1, 23) eine einzige Windung pro Phase aufweist und eine Resonanzanpassung des Summenstromwandlers (1, 23) an die Auslöseschaltung (5, 23) vorliegt.

8. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseschaltung (5) jeweils einen parallel und einen in Serie zu den Eingangsanschlüssen (E1, E2) geschalteten Kondensator (6, 7) aufweist.

9. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerstromschutzschalter ein selektiver Fehlerstromschutzschalter ist und die Sekundärwicklung (25) des Summenstromwandlers (23) eine geringe Windungszahl aufweist und an die Primärwicklung (28) eines Transformators (27) angeschlossen ist, dessen Sekundärwicklung (29) an die Gleichrichterschaltung (26) angeschlossen ist.

10. Selektiver Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (29) des Transformators (27) an einen Widerstand (32) angeschlossen ist, welcher zur Sekundärwicklung (29) parallel geschaltet ist und durch welchen sowohl die effektive Eingangsimpedanz als auch die effektive Ausgangsimpedanz der Schaltung aus Transformator (27) und Widerstand (32) einstellbar ist.

11. Selektiver Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (28) und die Sekundärwicklung (29) des Transformators (27) einen gemeinsamen Anschluß haben und die Primärwicklung (28) eine andere Wicklungsdrahtstärke als die Sekundärwicklung (29) aufweist.

12. Selektiver Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (27) ein normaler handelsüblicher HF-Transformator mit einem Ferritkern ist.

13. Selektiver Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sekundärwicklung (25) des Summenstromwandlers (23) und der Primärwicklung (28) des Transformators (27) ein Paar Dioden (30, 31) derart antiparallel zwischengeschaltet ist, daß unterhalb ihrer Durchlaßspannung im wesentlichen kein Strom fließt und oberhalb ihrer Durchlaßspannung im wesentlichen der gesamte Strom fließt.

14. Selektiver Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (34, 35) zwei Kondensatoren (34, 35) aufweist, die jeweils einerseits mit dem einen Anschluß der sekundärwicklung (29) des Transformators (27) verbunden sind und andererseits über jeweils eine der Dioden (40, 41) an den anderen Anschluß der Sekundärwicklung (29) des Transformators (27) angeschlossen sind.

15. Selektiver Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (38) einen die angesteuerte erste Stufe eines zweistufigen Verstärkers bildenden Transistor (44) aufweist, dessen Emitter angesteuert ist und der eine zweite Verstärkerstufe ansteuert, welche im wesentlichen aus der Kaskadenschaltung der zwei Transistoren (47, 48) gebildet ist.

16. Selektiver Fehlerstromschutzschalter nach Anspruche 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gleichrichterschaltung (26) die Diode (40) in Reihe zwischen den Speicherkondensator (34, 35) und die Mikrozenerdiode (45) geschaltet und in Flußrichtung betrieben ist, um den Speicherkondensator (34, 35) mit der notwendigen Engergie zu versorgen, und mit ihrer in Flußrichtung anstehenden Spannung gerade die an der Emitter-Basisstrecke des Transistors (44) in Flußrichtung abfallende Spannung kompensiert.