DE69706155T2

DE69706155T2 - Sicherheitsadapter für nicht-geerdete steckdose

Info

Publication number: DE69706155T2
Application number: DE69706155T
Authority: DE
Inventors: Hayim Nevo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2001-11-29
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: AU1938297A; HK1019825A1; WO1997036358A1; DE69706155D1; EP0890210B1; EP0890210A1; IL117705A; IL117705A0; US6023400A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft elektrische Schutzsysteme, die mit Erdschleifen verknüpft sind.

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Verwendung von Erdschlußschutzschaltern (ELCBs) ist bekannt, um einen Erdschluß in einem Gerät mit einem elektrisch leitfähigen Gehäuse, das mit der Masse verbunden ist, abzusichern. In dem Fall, wenn ein Fehler in dem Gerät auftritt, wodurch das Gehäuse spannungsführend wird, fließt der Erdschlußstrom dann zu der Masse und betätigt sofort das ELCB. Wenn jedoch die Masseverbindung derart fehlerhaft ist, daß es keinen Kriechpfad zum Abfließen des Stroms gibt, im Falle, daß das Gehäuse stromführend wird, dann wird das ELCB nicht angeregt, bis jemand das elektrisch leitfähige Gehäuse berührt und hierdurch einen Kriechweg zur Masse zur Verfügung stellt. In solch einem Fall tritt der Kriechstrom durch die Person, was zu dem erforderlichen Ungleichgewicht zwischen dem spannungsführenden Netzleitungsstrom und dem neutralen Netzleitungsstrom führt, was das Äuslösen des ELCB verursacht. Unter diesen Umständen gibt es, obgleich das ELCB noch immer funktionieren wird, einen unvermeidlichen Erdschluß durch die Person, die das Gerät berührt.
Um diesen Nachteil zu überwinden, zeigt die veröffentlichte PCT-Anmeldung Nr. WO 95/31028 auf den Namen des vorliegenden Anmelders einen Detektor für das Überwachen der Intaktheit einer Masseverbindung mit einem elektrischen Gerät mit stromführeriden und neutralen Anschlüssen für die Zuführung von Strom zu dem Gerät von jeweiligen stromführenden und neutralen Netzleitungen einer elektrischen Zuführung mit einem Massepunkt für die Verbindung mit dem Masseanschluß des Gerätes. Der Detektor weist einen Differenzvergleicherschaltkreis auf für das Vergleichen einer Spannung an der neutralen Verbindung mit einer Spannung an dem Masseanschluß des Geräts und für das Erzeugen eines Fehlersignals, wenn die Differenz zwischen diesen beiden einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Eine Schaltvorrichtung ist in zumindest in der stromführenden oder der neutralen Verbindung angeschlossen, so daß diese durch ein Relais, welches wirksam mit dem Detektor verbunden ist und auf das von diesem erzeugte Fehlersignal reagiert, geöffnet wird.
Der Detektor, der in der WO 95/31028 gezeigt ist, ist sehr viel zuverlässiger als die bislang vorgeschlagenen ELCBs, um vor einem elektrischen Schock im Falle einer schlechten Masseverbindung zu schützen. Für die Funktionsweise des Gerätes wird jedoch eine funktionsfähige Masseverbindung nach wie vor benötigt. Wenn daher keine Masseverbindung vorhanden ist oder deren Impedanz zu groß ist, trennt der in der WO 95/31028 offenbarte Detektor die Zuführung zu dem Gerät, um das Risiko des elektrischen Schocks zu verhindern.
Dies bedeutet, daß, wenn die Masseverbindung zu einer elektrischen Steckdose beschädigt ist, keine elektrische Energie von der Steckdose verfügbar ist, bis ein guter Schutzleiter wiederhergestellt ist. Solch eine Reparatur liegt offensichtlich nur innerhalb der Fähigkeiten von Fachpersonal und führt somit zu Verzögerungen und Unannehmlichkeiten für den Verbraucher, während derer die Steckdose nicht verwendbar ist. Darüber hinaus ist der in der WO 95/31028 offenbarte Detektor mit einem elektrischen Gerät verknüpft und nicht mit einem elektrischen Steckdosenausgang, was die Kosten des Geräts tatsächlich erhöht.
Noch eine weitere Betrachtung betrifft weniger die Intaktheit der Masseverbindung, sondern eher die Isolation zwischen der Masseverbindung und der stromführenden Verbindung. In einer mit akzeptierten Standards konformen Installation beträgt die Impedanz zwischen der stromführenden Zuführungsleitung und der Massezuführungsleitung mehr als 1,5 MΩ. Es sind jedoch alte Installationen mit vielen daran angeschlossenen Geräten bekannt, in denen die Impedanz zwischen der stromführenden Zuführungsleitung und der Massezuführungsleitung auf ein solch niedriges Niveau abfallen kann, daß die Massezuführungsfeitung - weit davon entfernt, einen Benutzer zu schützen - tatsächlich einen tödlichen Kriechstrom zu dem Metallgehäuse eines Gerätes leiten kann.
Ein bekannter Lösungsansatz für die oben ausgeführten Probleme ist der Einsatz von ELCBs, wobei jedoch die Masseverbindung völlig weggenommen wird. Zu diesem Zweck werden sogenannte "doppelt isolierte" Geräte zur Verfügung gestellt, in der alle elektrischen Anschlüsse zu dem Gerät von dem äußeren Gehäuse mit Hilfe eines inneren elektrisch isolierten Gehäuses abgeschirmt sind, welches wiederum von dem äußeren Gehäuse üblicherweise mit Hilfe von elektrisch isolierenden Distanzstücken beabstandet ist. Es besteht dann keine Notwendigkeit für eine Masseverbindung und nur stromführende und neutrale Verbindungen werden über ein normales zweiadriges Kabel zur Verfügung gestellt.
Auch wenn diese Lösung wirksam ist, erhöht sie die Kosten des Geräts. Darüber hinaus ist das typischerweise in solchen Geräten eingesetzte elektrisch isolierende Material Duroplast, was umweltschädlich ist.
Es ist daher klar wünschenswert, von den Vorteilen des in der WO 95/31028 offenbarten Detektors zu profitieren, während zur gleichen Zeit ein elektrischer Steckdosenausgang, dessen Masseverbindung beschädigt ist, nicht behindert wird, und vorzugsweise nicht die Integration in ein elektrisches Gerät erforderlich ist.
Die EP 695 105 zeigt eine Schutzvorrichtung für die Verwendung in Verbindung mit einem elektrischen Gerät, so daß dessen Gehäuse gegen "stromführend" werden geschützt ist. Das elektrische Gerät hat eine Erdverbindung 33, welche das Metallgehäuse des Geräts sein kann, welche über einen Widerstand R1 mit einem Schutzschaltkreis verbunden ist, der die Elemente EC2, EC3, EC4 und OC1 aufweist, so daß, wenn der durch R1 fließende Kriechstrom einen bestimmten Grenzwert überschreitet, dieser Schutzschaltkreis einen Auslöser zu einer Relaisspule RL1 zur Verfügung stellt, so daß die Hauptschaltkontakte SW1 und SW2 geöffnet werden. Der Schutzschaltkreis erzeugt somit ein Fehlersignal, wenn die Massenimpedanz unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt.
Ebenso zeigt die FR 2468430 eine Schutzvorrichtung, in der, wie in der oben beschriebenen EP 695 105, das Funktionsprinzip dasjenige ist, daß im Falle eines Massefehlers ein durch die Masseverbindung fließender Kriechstrom auftreten wird und die Größe dieses Kriechstroms so eingestellt wird, daß sie ein Trennsignal für den (die) Schaltkreishauptunterbrecher zur Verfügung stellt. Es ist wahr, daß im Falle eines regelmäßigen Massefehlers zwischen entweder der stromführenden oder der neutralen Zuführungsleitung und GND der resultierende Erdschlußkriechstrom, der durch die virtuelle Masseverbindung fließt, ausreichenden Schutz bewirkt. Wenn es nur auf denjenigen Erdkriechstrom ankommt, der dem sogenannten Phasenfehler verdankt wird, dann liefern folglich die Schaftkreise der EP 695 105 und der FR 2468430 einen Schutz von ausreichendem Umfang.
Im Falle eines Kurzschlusses zwischen der stromführenden und neutralen Verbindung wird jedoch unter normalen Umständen kein Massenkriechstrom vorhanden sein und folglich werden die in der EP 695 105 und der FR 2468430 beschriebenen Schaltkreise keinen Schutz bieten. Dies ist ein sehr schwerer Nachteil, da Kurzschlußfehler ein beträchtliches Feuerrisiko darstellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Schutzvorrichtung zur Verfügung zu stellen für die Verwendung in Verbindung mit einem elektrischen Gerät mit einem leitfähigen äußeren Gehäuse, welches das Gehäuse davor schützt, "stromführend" zu werden, ungeachtet des Status der Masseverbindung, die mit einer elektrischen Steckdose verknüpft ist, mit der das Gerät verbunden ist.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird eine Schutzvorrichtung zur Verfügung gestellt für die Verwendung in Verbindung mit einem elektrischen Gerät, mit einem elektrisch leitfähigen äußeren Gehäuse, wobei die Schutzvorrichtung ungeachtet des Zustandes der Erdverbindung, die zu der elektrischen Energieversorgung gehört, an die das Gerät angeschlossen ist, davor schützt, daß das Gehäuse stromführend wird, wobei das elektrische Gerät stromführende und neutrale Anschlüsse für die Zuführung von Strom zu dem Gerät von jeweils stromführenden und neutralen Zuführungen der elektrischen Energieversorgung hat, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:
eine virtuelle Erdverbindung bzw. Masseverbindung, die von der Erdverbindung der elektrischen Energieversorgung elektrisch getrennt ist, wobei vorgesehen ist, daß die virtuelle Erdverbindung anstelle der Erdverbindung der elektrischen Energieversorgung mit dem Gehäuse des elektrischen Gerätes verbunden wird, und
einen differentiellen Vergleichsschaltkreis für das Vergleichen eines Bruchteils der Spannung zwischen den stromführenden und den neutralen Anschlüssen mit einer Spannung an der virtuellen Erdverbindung des elektrischen Gerätes und für das Erzeugen eines Fehlersignals, wenn die Differenz zwischen den Spannungen eine vorbestimmte Grenze übersteigt.
Das Fehlersignal kann verwendet werden, um eine Fehleranzeige zur Verfügung zu stellen und geeignete Abhilfemaßnahmen zu ergreifen. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise weiterhin eine Unterbrechungseinrichtung für die Hauptzuführung vorgesehen, wie z. B. ein ELCB oder ein Schütz, das wirksam mit dem Erdimpedanzmeßschaltkreis verbunden ist und auf das Fehlersignal reagiert, für das Öffnen einer Schaltvorrichtung, die zumindest mit dem stromführenden oder dem neutralen Anschluß verbunden ist.
Vorzugsweise wird die Schutzvorrichtung innerhalb eines Adapters zur Verfügung gestellt für das Verbinden eines Gerätes mit einer Standardsteckdose, wodurch die Integration der Schutzvorrichtung in das Gerät unnötig wird und es von der Steckdose unabhängig ist. Die Schutzvorrichtung kann jedoch, sofern gewünscht, integral mit entweder dem Gerät, dem Stecker oder der elektrischen Steckdose sein. In jedem Fall verhindert die Schutzvorrichtung nicht die Funktion von Geräten mit nur stromführenden und neutralen Verbindungen, die keine Erdung benötigen.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Um die Erfindung zu verstehen und um zu sehen, wie sie in der Praxis ausgeführt werden kann, wird im folgenden ein Adapter beschrieben für das Zurverfügungstellen einer virtuellen Erdverbindung an ein Gerät, das mit einer nicht geerdeten Zuführung verbunden ist, lediglich als nicht einschränkendes Beispiel und unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Geräts, das mit einer Steckdose über einen Adapter verbunden ist, gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 2 ein Schaltdiagramm zeigt, das schematisch den Adapter von Fig. 1, der zwischen eine elektrische Stromzuführung und der Steckdose geschaltet ist, und
Fig. 3 schematisch ein Detail des differentiellen Vergleichsschaltkreises zeigt, der in dem Adapter verwendet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 zeigt ein System 10, das eine elektrische Energieversorgung 11 mit drei Phasen 12, 13 und 14 aufweist, die gemeinsam in einer Sternformation mit einer neutralen Zuführungsleitung 15 verbunden sind, die wiederum mit Masse, GND, verbunden ist. Eine der Phasenverbindungen 14 stellt eine stromführende Zuführungsleitung dar, die mit einem Spannungsanschluß 16 einer Steckdose 17 mit einem neutralen Anschluß 18, der mit der neutralen Zuführungsleitung 15 verbunden ist, und einem Erdanschluß 19 verbunden ist, der mit GND verbunden ist.
Ein Adapter, der allgemein als 20 bezeichnet wird, hat stromführende und neutrale Zuleitungsstifte bzw. -stecker 21 und 22 für das jeweilige Verbinden mit dem stromführenden und neutralen Steckdosenanschluß 16 und 18. Der Adapter 20 ist nicht mit dem Erdanschluß 19 der Steckdose 17 verbunden, ist jedoch mit stromführenden, neutralen und Erdanschlüssen 23, 24 bzw. 25 ausgestattet, an die die entsprechenden Verbindungen eines Gerätes 26 angeschlossen sind mit einem Metallgehäuse 27, das mit einem Erdpunkt 28 verbunden ist und mit einem inneren Schaltkreis 29 für das Verbinden über die stromführenden und neutralen Adapteranschlüsse 23 bzw. 24. Der Erdanschluß 25 des Adapters 20 ist von GND getrennt und bildet eine "virtuelle Erdverbindung", die unter guten Bedingungen im wesentlichen auf dem gleichen Potential wie der neutrale Zuleitungsanschlußstecker 21 sein sollte.
Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Impedanz eines Gerätes gleich der Spannung über dem Gerät geteilt durch den dadurch fließenden Strom. Wenn kein Erdschluß an dem Gehäuse 27 des Geräts 26 vorliegt, dann ist somit die Impedanz zwischen der virtuellen Erdverbindung 25 und dem stromführenden Adapteranschluß 23 extrem hoch. Deutlich gesagt, wenn die Phasenspannung 220 V ist und der maximal erlaubte Sicherheitskriechstrom 0,9 mA ist, dann übersteigt die Impedanz typischerweise 250 kΩ. Im Falle eines Fehlers in dem Gerät 26, so daß der Fehlerstrom von dem stromführenden Adapteranschluß 23 zu dem Gehäuse 28 des Geräts 26 und daher zu der virtuellen Erdverbindung 25 ansteigt, fällt jedoch die Impedanz entsprechend. Die Impedanz zwischen dem stromführenden Adapteranschluß 23 und der virtuellen Erdverbindung 25 dient daher als ein Maß, ob ein unsicherer Erdschluß zu dem Gehäuse 27 des Geräts 26 besteht.
Da die virtuelle Erdverbindung 25 gegenüber GND floatet, ist die lntaktheit oder die fehlende lntaktheit der Erdverbindung zu der neutralen Zuführungsleitung 15 der elektrischen Stromzuführung 11 nicht länger bedeutend. Deutlich gesagt ist die Bereitstellung einer soliden Erdverbindung GND oder das Fehlen einer solchen Verbindung nicht relevant: in jedem Fall ist die schnelle Unterbrechung der Zuführungsleitungen 14 und 15 zu dem Gerät 26 innerhalb von nicht mehr als einigen Millisekunden sichergestellt. Selbst wenn die stromführende Zuführung 14 mit der virtuellen Erdverbindung 25 kurzgeschlossen wird, würde der Schaltkreis ohne jegliche Feuergefahr unterbrochen. Dies stellt eine fundamentale Abkehr von bislang vorgeschlagenen Schutzsystemen dar, bei denen ein Kurzschluß zwischen der stromführenden Zuführung 14 und der Erdverbindung GND oder der neutralen Verbindung 15 ein signifikantes Feuerrisiko darstellt. Beispielsweise würde der Kurzschlußstrom mit einem elektrischen Widerstand von 20 0 in dem Sicherheitsschaltkreis bei einer Spannung von 230 V 12,5 A (laut Ohm'schem Gesetz) betragen. In einem Einphasenschaltkreis mit einer Sicherung von 16 A würde die Sicherung nicht schmelzen und sich daher ein lokales Aufheizen an dem Fehlerort mit 2,5 kW ergeben: mehr als ausreichend, um ein Feuer zu verursachen.
In. Fig. 2 ist ein Schaltdiagramm des Adapters 20 gezeigt. Über die stromführenden und neutralen Zuleitungen 21 und 22 ist ein Isolationstransformator 30 mit einer sekundären Windung 31 mit Abgriff verbunden für das Heruntertransformieren einer primären Spannung von 110 oder 220 V auf näherungsweise 10 V über die entsprechenden Abgriffe. Eine DC-Gleichrichterbrücke 32 ist über einen Auswahlschalter 33 mit einer geeigneten Windung der sekundären Windungen mit Abgriff verbunden und erzeugt eine Ausgangsspannung von ungefähr 12 V DC zwischen einer Hochspannungsschiene 34 und einer Niederspannungsschiene 35, die Zuführungs- und Erdschienen bilden. Soweit der Adapter 20 betroffen ist, bilden alle Erdverbindungen die "virtuelle" Erde, mit der das Gerät 26 (gezeigt in Fig. 1) verbunden ist, und somit werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung des Adapters 20 die Bezeichnungen "Masse" bzw. "Erde" und "virtuelle Masse" bzw. "Erde" synonym gebraucht.
Die stromführende und neutrale Zuleitung 21 und 22 sind ebenso über entsprechende Schalter 36 und 37 mit den stromführenden und neutralen Adapteranschlüssen 23 bzw. 24 verbunden. Die Schalter 36 und 37 bilden Schalteinrichtungen, die gleichzeitig durch eine Relaisspule 38 (die eine Unterbrechungseinrichtung für die Hauptzuführung bildet, die ein Schütz oder ein ELGB sein kann) betätigt werden, die zwischen Erde und dem Kollektoranschluß eines NPN bipolaren Flächentransistors 39 angeschlossen ist, dessen Emitteranschluß mit Masse verbunden ist und dessen Basisanschluß über einen Widerstand 40 mit einem ersten Pol 41a eines zweipoligen manuellen Zweiwegeauswahlschalters 42 verbunden ist mit einem zweiten Pol 41b und jeweiligen ersten "Test"- und "Normal"-Kontakten 43a und 44a sowie jeweiligen zweiten "Test"- und "Normal"-Kontakten 43b und 44b. Der erste "Test"-Kontakt 43a floatet, während der zweite "Test"-Kontakt 43b mit Masse verbunden ist. Der erste "Normal"-Kontakt 44a ist mit einem ersten normalerweise offenen Schaltkontakt 45a eines zweipoligen Wechselschalters verbunden, der durch eine Relaisspule 46 (die einen "Betätiger" bildet> betrieben wird und einen ersten Pol 47a und einen ersten normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 48a hat und einen zweiten Pol 47b und entsprechend zweite, normalerweise offene und geschlossene Schaltkontakte 45b bzw. 48b hat. Der zweite Pol 41b des manuellen Auswahlschalters ist mit dem zweiten, normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 48b verbunden und der zweite "Normal"-Kontakt 44b des manuellen Auswahlschalters 42 floatet.
Der erste Pol 47a des Wechselschalters ist mit der positiven Niederspannungs-DC- Zuführungsschiene 34 verbunden, während der erste, normalerweise geschlossene Schaltkontakt 48a mit einem Ende der Fehleranzeigelampe 49 verbunden ist, deren anderes Ende mit Masse verbunden ist. In gleicher Weise ist eine "gut" bzw. "sicher" anzeigende Lampe 50 zwischen der Masse und dem ersten, normalerweise offenen Schaltkontakt 45a angeschlossen. Der zweite Poi 47b des Wechselschalters ist über eine Gleichrichterdiode mit einem Ende der Relaisspule 46 verbunden, deren zweites Ende mit der positiven Niedersparinnungs-DC-Zuführungsschiene 34 für einen Detektorschaltkreis, der im allgemeinen mit 52 bezeichnet wird und unten in größerer Genauigkeit unter Bezug auf Fig. 3 der Figurenbeschreibung beschrieben wird, verbunden ist.
Ein Filterkondensator 53 ist über die Relaisspule 46 verbunden. In gleicher Weise ist aus Gründen der Vollständigkeit ein Filterkondensator 54 zwischen dem Basisanschluß des bipolaren Flächentransistors 39 und der Masse angeschlossen dargestellt. Zwischen der stromführenden und neutralen Eingangsleitung 21 und 22 ist ein Spannungsteiler geschaltet, der ein Widerstandspaar 55 und 56 aufweist, deren gemeinsame Verbindung über einen strombegrenzenden Widerstand 57 mit einem Eingang eines differentiellen Vergleichers innerhalb des Detektors 52 verbunden ist und dessen zweiter Eingang mit Masse verbunden ist. Der differentielle Vergleicher vergleicht somit einen Bruchteil der Spannung zwischen der stromführenden und neutralen Zuleitung 21 und 22 mit der Spannung an der virtuellen Erdverbindung 25, die wiederum mit dem Gehäuse 27 des Geräts 26 verbunden ist.
In Fig. 3 ist zu sehen, daß Detektor 52 eine DC-Niederspannungsschiene 55 aufweist, die mit der DC-Zuführungsschiene 34, die in Fig. 2 gezeigt ist, verbunden ist. Ein 6 V-Regler 56 ist zwischen der DC-Niederspannungsschiene 55 und der Masse geschaltet, so daß zwischen einer stabilisierten Spannungsschiene 57 des Reglers 56 und Masse eine geregelte 6 V DC-Spannung anliegt.
Ein erster Spannungsteiler, der Widerstände 58 und 59 aufweist, ist zwischen der stabilisierten Spannungsschiene 57 und Erde geschaltet und hat eine gemeinsame Verbindung, die mit einem ersten Invertierungseingang (Pin 2) eines dualen Vergleichers 60 verbunden ist, so daß ein Referenzspannungssignal zur Verfügung gestellt ist, das von dem Erdpotential um eine feste Spannung beabstandet ist. Der gemeinsame Anschluß des Spannungsteilers, der in Fig. 2 gezeigt ist, ist ebenso über einen Widerstand 61 mit dem ersten nicht invertierenden Eingang (pin 3) des Vergleichers 60 verbunden. Eine 6 V Zenerdiode 62 ist in Reihe mit einem strombegrenzenden Widerstand 63 zwischen der stabilisierten Spannungsschiene 57 und Erde verbunden, zwischen denen ein Glättungskondensator 64 geschaltet ist.
Ein Ausgang 65 (pin 7) des Vergleichers 60 ist mit dem Basisanschluß eines NPN bipolaren Flächentransistors 66 verbunden (der einen "normalerweise geöffneten Schaltkreis" bildet), dessen Emitteranschluß mit Masse verbunden ist und dessen Kollektoranschluß mit dem zweiten normalerweise geöffneten Schaltkontakt 45b verbunden ist, der in Fig. 2 gezeigt ist. Der Ausgang 65 ist ebenso über einen Widerstand 67 (gezeigt in Fig. 2) mit Masse verbunden.
Die Gleichrichterdiode 51, die über die Relaisspule 46 verbunden ist, schaltet jegliche hohe Hintergrundqueiienspannung, die von der Spule 46 erzeugt wird, parallel, und vermeidet somit die Beschädigung des bipolaren Flächentransistors 66.
Um die Sicherheit des Detektors 52 zu erhöhen, weist der Vergleicher 60 zwei Vergleicher auf, die sich einen gemeinsamen Ausgang teilen und in analoger Art und Weise an die oben beschriebene Anordnung angeschlossen sind. Die zwei Vergleicher können durch einen integrierten Schaltkreis, wie z. B. die LM193-Reihe von National Semiconductors gebildet werden.
Die Funktion des Detektors 52 ist wie folgt. tn einem normalen sicheren Zustand gibt es ein großes Ungleichgewicht zwischen der Spannung an der virtuellen Erdverbindung und der partiellen Zuführungsspannung, die jeweils den Eingangsstiften bzw. Pins des Vergleichers 60 zugeführt wird. Folglich ist die Ausgangsspannung des Vergleichers 60 hoch, so daß die Basisspannung des bipolaren Flächentransistors 66 hoch ist und der bipolare Flächentransistor 66 leitet. In einem guten bzw. sicheren Zustand. arbeitet der bipolare Flächentransistor 66 somit als Kurzschluß zwischen seinem Emitteranschluß und seinem Kollektoranschluß, so daß der normalerweise geöffnete Schaltkontakt 45b mit Masse verbunden ist.
Wenn nun der manuelle Auswahlschalter 42 in die "Test"-Position (bildet eine erste Position) eingestellt wird, ist dessen zweiter Pol 41b über den Kontakt 43b mit Masse verbunden und die Kathode der Gleichrichterdiode 51 ist somit ebenso über den normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 48b mit Masse verbunden. Folglich ist ein Ende der Relaisspule 46 über den normalerweise geschlossenen Schaltkontakt 48b und dem manuellen Auswahlschalterkontakt 43b auf Erdpotential, während das andere Ende der Relaisspule 46 ständig mit der ungeregelten DC-Schiene 55 verbunden ist. Vorausgesetzt, daß es einen sicheren Zustand gibt, wenn der manuelle Auswahlschalter in die erste "Test"-Position geschaltet wird, wird somit die Relaisspule 46 erregt und die zwei Paare von Schaltkontakten wechseln ihren Zustand. Im Detail wird das Niederspannungsende der Relaisspule 46 über die Gleichrichterdiode 51 auf Erdpotential gehalten, die nun über den Schaltkontakt 45b mit Masse verbunden ist, wie oben beschrieben wurde.
Zur gleichen Zeit ist das 12 V DC-Niveau auf der Hochspannungsschiene 34 über den normalerweise geöffneten Schaltkontakt 45a mit der "sicher"-Anzeigelampe 50 verbunden, die leuchtet und eine visuelle Anzeige liefert, daß das System sicher ist. Der manuelle Auswahlschalter kann nun auf die zweite, das heißt die "Normal"-Position gestellt werden, wodurch die Hochspannungsschiene 34 über den Schaltkontakt 44a mit dem ersten Pol 41a des manuellen Auswahlschalters 42 verbunden wird und über den Widerstand 40 mit dem Basisanschluß des bipolaren Flächentransistors 39 verbunden wird. Der bipolare Flächentransistor 39 leitet somit, was dem Strom erlaubt, durch die Relaisspule 38 zu fließen, was wiederum diese anregt und die Schalter 36 und 37 schließt, wodurch die Einlaßanschlüsse 21 und 22 des Adapters 20 mit den entsprechenden Auslaßanschlüssen 23 und 24 verbunden werden.
Wenn nun ein Erdungsfehler in der Art auftritt, daß das Gehäuse 27 des Geräts stromführend wird, dann fällt die differentielle Spannung, die von dem Vergleicher 60 "gesehen" wird, und dessen Ausgangswert 65 wird erniedrigt. Der Transistor 66 wird somit abgeschnitten und sein Kollektoranschluß ist nicht länger mit Masse verbunden. Folglich ist die Spannung, die an den normalerweise offenen Schaltkontakt 45b (der geschlossen ist, wenn das System sicher ist) angelegt ist, nicht länger auf Erdpotential und die Relaisspule 46 wird unerregt und die Wechselschaltkontakte fallen in ihren "Fehler"-Zustand zurück, der in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Zustand ist die Hochspannungsschiene 34 mit der Fehleranzeigelampe 49 verbunden, die leuchtet und eine visuelle Anzeige zur Verfügung stellt, daß das System fehlerhaft ist. Zur gleichen Zeit geht der erste Pol 41a des manuellen Auswahlschalters auf "bw" und der bipolare Flächentransistor 39 wird abgeschnitten, da der Schaltkontakt 45a nicht länger mit der Hochspannungsschiene 34 verbunden ist. Dies führt zur Aberregung der Relaisspule 38, wodurch die Zuführung zwischen den Einlaßanschlüssen 21 und 22 und deren entsprechenden Ausgangsanschlüssen 23 und 24 ausgeklinkt wird.
Aus Gründen der Vollständigkeit versteht es sich, daß, wenn der manuelle Auswahlschalter 42 auf die "Normal"-Position eingestellt wird, ohne das System zunächst zu testen, daß dann ein Fehlerzustand vorliegt, wenn der Ausgangswert des Vergleichers 60 auf "low" ist und die Relaisspule 46 somit aberregt werden wird. In diesem Zustand ist der erste "Normal"-Kontakt 44a von der Hochspannungsschiene 34 getrennt und der erste Pol 41a des manuellen Auswahlschalters 42 ist ebenso "low". Somit ist wieder der bipolare Flächentransistor 39 abgeschnitten, die Relaisspule 38 wird aberregt und die Schalter 36 und 37 werden nicht geschlossen.
Es wird somit in Übereinstimmung mit der Erfindung eine Schutzvorrichtung zur Verfügung gestellt für die Verwendung in Verbindung mit einem elektrischen Gerät mit einem elektrisch leitfähigen äußeren Gehäuse, wobei die Schutzvorrichtung ungeachtet des Zustandes der Erdverbindung, die zu der elektrischen Energieversorgung gehört, an die das elektrische Gerät angeschlossen ist, davor schützt, daß das Gehäuse stromführend wird. Wenn die Schutzvorrichtung in der Form eines Adapters ist, wie oben beschrieben wurde, sind die drei Verbindungsanschlüsse, das heißt stromführend, neutral und Masse, des Geräts mit einem Ausgangsanschluß des Adapters verbunden, obwohl der Adapter seinerseits nur zwei Eingangsanschlüsse hat. Der Adapter gemäß der Erfindung ist somit speziell für die Verwendung bei elektrischen Installationen mit unzulänglicher Erdung oder bei denen, die ungeerdete Steckdosen mit zwei oder drei Anschlüssen einsetzen, geeignet.
Da weiterhin die Erdverbindung der Installation, sofern vorhanden, in jedem Fall von dem Adapter in der Art isoliert ist, daß er von der virtuellen Erdverbindung, die hierdurch eingesetzt wird, völlig verschieden ist, besteht nicht länger die Gefahr des elektrischen Schocks, wenn die tatsächliche Erde der Installation stromführend wird, was auf einen Zusammenbruch der Isolierung zwischen der stromführenden und Erdzuführung zurückzuführen ist.
Das Zurverfügungstellen der Schutzvorrichtung in der Form eines Adapters macht die Vorrichtung tragbar und unabhängig von sowohl der Steckdose als auch von dem elektrischen Gerät. Man erkennt jedoch leicht, daß die Schutzvorrichtung entweder mit dem Gerät oder der elektrischen Steckdose oder dem Verbindungsstecker integral ausgebildet werden kann, sofern gewünscht.

Claims

1. Schutzvorrichtung (20) für die Verwendung in Verbindung mit einem elektrischen Gerät (26), mit einem elektrisch leitfähigen äußeren Gehäuse (27), wobei die Schutzvorrichtung ungeachtet des Zustandes der Erdverbindung (GND), die zu der elektrischen Energieversorgung (11) gehört, an die das elektrische Gerät angeschlossen ist, davor schützt, daß das Gehäuse stromführend wird, wobei das elektrische Gerät stromführende und neutrale Anschlüsse für die Zuführung von Strom an das Gerät von jeweils stromführenden (14) und neutralen (15) Zuführungen der elektrischen Energieversorgung (11) hat, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:

eine virtuelle Erdverbindung bzw. Masseverbindung (25), die von der Erdverbindung (GND) der elektrischen Energieversorgung elektrisch getrennt ist (floatet), wobei die virtuelle Erdverbindung dafür vorgesehen ist, anstelle der Erdverbindung der elektrischen Energieversorgung mit dem Gehäuse des elektrischen Gerätes verbunden zu werden, und

einen differentiellen Vergleichsschaltkreis (60) für das Vergleichen eines Bruchteils der Spannung zwischen den stromführenden und den neutralen Anschlüssen mit einer Spannung an der virtuellen Erdverbindung des elektrischen Gerätes und für das Erzeugen eines Fehlersignals, wenn eine Differenz zwischen den Spannungen eine vorbestimmte Grenze übersteigt.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist:

eine Vorrichtung (38) für die Unterbrechung der Hauptzuführung, die funktional mit dem differentiellen Vergleichsschaltkreis (60) verbunden ist und auf das Fehlersignal reagiert, um eine Schalteinrichtung (36, 37), die zumindest mit dem stromführenden oder dem neutralen Anschluß verbunden ist, zu öffnen.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung zur Unterbrechung der Hauptzuführung ein Schütz ist.

4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung zur Unterbrechung der Hauptzuführung ein Erdschlußschutzschalter ist.

5. Schutzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der differentielle Vergleichsschaltkreis (60) aufweist:

einen ersten Eingang (3), der mit der virtuellen Erdverbindung verbunden ist, und

einen zweiten Eingang (2), der mit einer gemeinsamen Verbindung eines Spannungsteilers verbunden ist, der ein Widerstandspaar (58, 59), das in Reihe zwischen dem stromführenden und neutralen Anschluß der Zuführung geschaltet ist, beinhaltet.

6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der differentielle Vergleichsschaltkreis (60) weiterhin aufweist:

ein Stellglied (46), das funktional mit einem Ausgang des Vergleichers (65) verbunden ist und mit der Vorrichtung zur Unterbrechung der Hauptzuführung in Reihe geschaltet ist.

7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung zur Unterbrechung der Hauptzuführung einen normalerweise offenen Schaltkreis (66) beinhaltet, der mit der Schaltvorrichtung verbunden ist, die zumindest mit dem stromführenden oder dem neutralen Anschluß verbunden ist und auf das Fehlersignal reagiert, um die Schaltvorrichtung zu öffnen.

8. Schutzvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der differentielle Vergleichsschaltkreis zumindest zwei Vergleicher beinhaltet, die jeweils Ausgänge haben, die gemeinsam mit dem Stellglied verbunden sind.

9. Schutzvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, die weiterhin aufweist:

eine Gleichstromquelle mit einer Zuführungs- (34) und einer Erdleitung (35), einen normalerweise offenen (45b) und einen normalerweise geschlossenen Schaftkontakt (48b), die auf das Stellglied (46) reagieren und einen gemeinsamen Anschluß (47b) haben, einen manuellen Auswahlschalter (42), der einen ersten Anschluß hat, der mit dem normalerweise geschlossenen Schaltkontakt verbunden ist, und einen zweiten Anschluß hat, der mit der virtuellen Erdverbindung (25) verbunden ist,

wobei der normalerweise offene Schaltkontakt (45b) zwischen der virtuellen Erdverbindung (25) und dem normalerweise offenen Schaltkreis angeschlossen ist, der an einen Ausgang des differentiellen Vergleicherschaltkreises angeschlossen ist und auf diesen reagiert, und wobei das Stellglied zwischen der Zuführungsleitung der Gleichstromquelle und dem gemeinsamen Anschluß des Zweiwegeschalters angeschlossen ist,

wobei der differentielle Vergleichsschaltkreis derart konstruiert ist, daß im ordnungsgemäßen Zustand eine Impedanz zwischen dem neutralen Anschluß der Stromversorgung und dem virtuellen Erdanschluß einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet und somit ein Spannungsungleichgewicht zwischen den Spannungen, die an den ersten und zweiten Eingang des differentiellen Vergleichsschaltkreises angelegt sind, erzeugt, was dazu führt, daß der normalerweise offene Schaltkreis (66) schließt, wodurch die virtuelle Erdverbindung (25) mit dem normalerweise offenen Schaltkontakt (45b) verbunden wird, so daß, wenn der manuelle Auswahlschalter (42) in einer ersten "Test"-Position ist, die virtuelle Erdverbindung über den normalerweise geschlossenen Schaltkontakt (45b) mit dem Stellglied (46) verbunden wird, welches somit den normalerweise offenen Schaltkontakt (45b) erregt und schließt, wodurch die virtuelle Erdverbindung (25) mit dem gemeinsamen Anschluß (47b) des Zweiwegeschalters verbunden wird und somit das Stellglied erregt bleibt.

10. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, die weiterhin aufweist:

einen normalerweise geschlossenen Anzeigeschaltkontakt (48a), der auf das Stellglied (46) reagiert und zwischen der Zuführungsleitung der Gleichstromzuführung und einer Fehleranzeigelampe (49) angeschlossen ist, so daß, wenn das Stellglied aufgrund einer Erdfehlerbedingung abgeschaltet wird, die Fehleranzeigelampe aufleuchtet.

11. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, die weiterhin aufweist:

einen normalerweise offenen Anzeigeschaltkontakt (45a), der auf das Stellglied (46) reagiert und zwischen der Zuführungsleitung der Gleichstromzuführung und einer Anzeigelampe (50) für den ordnungsgemäßen Zustand angeschlossen ist, so daß bei Fehlen einer Erdfehlerbedingung das Steilglied erregt wird und die Anzeigelampe für den ordnungsgemäßen Zustand aufleuchtet.

12. Schutzvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung (38) für die Unterbrechung der Hauptzuführung mit einem Kollektor eines bipolaren Flächentransistors (39) verbunden ist, dessen Basis mit dem normalerweise offenen Anzeigeschaltkontakt (45a) verbunden ist, so daß diese mit der Zuführungsleitung (34) der Gleichstromzuführung verbunden ist, wenn das Stellglied erregt ist.

13. Schutzvorrichtung nach Anspruch 12, wobei:

der manuelle Auswahlschalter (42) ein zweipoliger Zweiwegeschalter mit einem dritten Anschluß (41a) ist, der mit der Basis des bipolaren Flächentransistors (39) verbunden ist und einen vierten Anschluß (44a) hat, der mit dem normalerweise offenen Schaltkontakt (45a) des Stellgliedes (46) verbunden ist, so daß er mit der Zuführungsleitung (34) der Gleichstromzuführung verbunden ist, wenn der manuelle Auswahlschalter (42) in einer zweiten "Normal"-Position ist und das Stellglied (46) erregt ist.

14. Schutzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der differentielle Vergleicher ein integrierter Schaftkreis ist.

15. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei diese ein Adapter für das Verbinden des elektrischen Geräts mit einer elektrischen Steckdose (17) ist.

16. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die integral mit einer elektrischen Steckdose (17) ausgebildet ist.

17. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die mit einem elektrischen Stecker integral ausgebildet ist.

18. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die mit dem elektrischen Gerät integral ausgebildet ist.