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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine Schaltung zum Vorsehen eines Schutzes gegen
Erdschlußströme in elektronischen
Instrumenten, die die getestete Schaltung beschädigen könnten oder für Personal
schädlich
sein könnten,
und insbesondere eine solche Schaltung, die mehrere Schutzniveaus
bereitstellt.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Existierende
Konstruktionen für
den Schutz von Bedienpersonen und getesteten Schaltungen in Gegenwart
von potentiell gefährlichen
oder beschädigenden
Erdschlußströmen wurden
unter Verwendung von Schaltungselementen mit positivem Temperaturkoeffizienten
(PTC) und mechanischen Relais und Schaltern bewerkstelligt. Obwohl
ein solcher Schutz Feuer und Explosionen durch Begrenzen von extremen
Strömen
verhindern kann, können
sie nicht ausreichend auf marginale oder vorübergehende Mengen an Energie
reagieren, um die Sicherheit der Bedienperson und die getestete
Schaltung unter allen Umständen
vollständig
zu schützen.
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Mit
Bezug auf 1A kann, obwohl ein "potentialfreier" (ungeerdeter) Betrieb
relativ einfach und kostengünstig
ist, unter Fehlerbedingungen ein sehr hoher Stromfluß durch
eine relativ kleine Spannung aufgrund der äußerst niedrigen Impedanz von
einer Sondenmasse (Erdung) zu einer anderen entstehen. Sobald das
Instrument "potentialfrei" ist, kann der Fehler
des versehentlichen Verbindens von einer der Massen mit einer hohen
Spannung alle anderen freiliegenden Massen unerwartet "stromführend" machen, was entweder
für das
Personal oder die getestete Schaltung potentiell gefährlich ist.
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Selbst
wenn der Benutzer keinen Schlag erhält, indem er mit der unerwartet "stromführenden" Zuleitung oder den
freiliegenden potentialfreien Bereichen des Instruments in Kontakt
kommt, kann das Verbinden einer zweiten Masse mit der Erdung einen explosiven
und furchterregenden Blitz und Lichtbogenbildung verursachen. Der
Benutzer kann verbrannt werden oder sich sekundäre Verletzungen als Reaktion
darauf, daß er
durch den plötzlichen
und explosiven Fluß von
großen
Strömen,
wo sie nicht erwartet wurden, erschreckt wird, zuziehen.
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Das
Einführen
einer unerwarteten hohen Spannung in Teile der Schaltung des Benutzers,
die normalerweise nahe Null liegen, kann auch schädigende
Effekte auf die getestete Schaltung haben. Selbst wenn ein solcher
Kontakt versehentlich ist, können
die Effekte für
ungeschützte
Elemente der getesteten Schaltung katastrophal sein. Selbst das Senken
oder Ziehen einer solchen potentialfreien "stromführenden" Masseleitung, so daß sie mit anderen Schaltungselementen
in Kontakt kommt, kann unerwartete Konsequenzen haben, die eine
dauerhafte Beschädigung
an der Schaltung des Benutzers verursachen. Ein nicht-potentialfreier,
geerdeter Betrieb kann immer noch zu ungünstigen Überraschungen führen, die
sich sowohl auf die Sicherheit der Bedienperson als auch die Integrität der Elemente
der getesteten Schaltung auswirken.
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Mit
Bezug als nächstes
auf 1B werden die Massezuleitungen gegen mehr als
vorübergehende
und begrenzte Spannungen durch den Einbau eines PTC-Widerstandes in Reihe
mit dem Erdungsweg geschützt.
Nun erhöhen
unerwartete Stromstöße den Widerstandswert
des PTC-Widerstandes und begrenzen den maximalen Strom, der fließen kann, zumindest
für irgendeine
signifikant Zeitlänge
drastisch. Diese Schaltung ist immer noch ziemlich einfach und verhindert
dennoch das Auftreten der Lichtbögen
und Explosionen der vorher erörterten
Schaltung des Standes der Technik. Das Versehen dieser Schaltung
mit einem zweiten Schutzniveau erfordert, daß weitere Schritte unternommen
werden, um es zu begrenzen, daß alle
Instrumentenmassen plötzlichen und
unerwarteten Strömen
ausgesetzt werden. Die Sonden müssen
speziell isoliert werden. Um eine echte doppelte Isolation zu erreichen,
müssen
alle anderen Eingangs/Ausgangs-Funktionen und freiliegenden Leiter
auch gegen unerwartet hohe Spannungen geschützt werden.
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Das
US-Patent 4 583 146, Howell, über "Fault Current Interrupter", hiermit durch den
Hinweis aufgenommen, offenbart einen Fehlerstromunterbrecher, der
durch die parallele Kombination eines PTC-Widerstandes und eines
spannungsabhängigen Widerstandes
erreicht wird, die über
ein Paar von mechanischen Kontakten geschaltet wird, um die Unterbrechung
eines fließenden
Stroms ohne Lichtbogenbildung während
der Trennung der Kontakte zu ermöglichen.
Der PTC-Widerstand ist so ausgewählt, daß er einen
relativ niedrigen Widerstandswert bei Raumtemperatur und einen wesentlich
höheren
Widerstandswert bei höheren
Temperaturen aufweist. Dies ermöglicht,
daß der
Strom von den Kontakten durch die PTC-Widerstandseinheit weg transportiert wird,
bis die Spannung über
dem spannungsabhängigen
Widerstand verursacht, daß der
spannungsabhängige
Widerstand leitend wird und dadurch den Strom vom PTC-Widerstand
weg transportiert.
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Das
US-Patent 4 967 176, Horsma et al., über "Assemblies of PTC Circuit Protection
Devices", hiermit
durch den Hinweis aufgenommen, offenbart eine Vorrichtungsanordnung,
in der eine Vielzahl von PTC-Schaltungsschutzvorrichtungen
in Reihe geschaltet sind. Anordnungen dieser Art sind bei der Bereitstellung
eines Schutzes, wo eine einzelne Vorrichtung nicht ausreichen würde, nützlich.
In einem bevorzugten System ist die Vorrichtungsanordnung mit einem
Unterbrecher in Reihe geschaltet.
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Das
US-Patent 5 644 461, Miller et al., über "High Voltage D-C Current Limiter" wird hiermit durch den
Hinweis aufgenommen. Dieses Patent beschreibt einen Strombegrenzer
zum Schützen
einer Schaltung bei einer vorbestimmten Ansteuerspannung oberhalb
50 Volt. Eine Vielzahl von PTC-Widerständen sind in Reihe geschaltet,
wobei eine Zener-Diode mit jedem der PTC-Widerstände parallel geschaltet ist.
Alle PTC-Widerstände
zusammengenommen und alle Zener-Dioden zusammengenommen weisen einen
Spannungsbereich auf, der größer ist
als die vorbestimmte Ansteuerspannung.
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Das
US-Patent 5 864 458, Duffy et al., über "Overcurrent Protection Circuits Comprising
Combinations of PTC Devices and Switches", durch den Hinweis hierin aufgenommen,
offenbart Schutzanordnungen für
elektrische Schaltungen mit PTC-Bauelementen, um Spannungen und
Ströme
in normalen Schaltungsoperationen umzuschalten, wobei die Nennspannungen
und/oder -ströme
der mechanischen Schalter und PTC-Bauelemente viel geringer sind
als die normalen Betriebsspannungen und -ströme der Schaltungen. Dieses
Merkmal ermöglicht
die Verwendung von kleineren und weniger teuren mechanischen Schaltern
und PTC-Bauelementen als es ansonsten in solchen Schaltungen erforderlich
wäre. Die
Anordnungen von Schaltern und PTC-Bauelementen ermöglichen
auch, daß die
PTC-Bauelemente die Amplitude des zur Schaltung geleiteten Fehlerstroms
begrenzen.
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Das
US-Patent 4 068 281, Harnden, über "Thermally Responsive
Metal Oxide Varister Transient Suppression Circuit, hiermit durch
den Hinweis aufgenommen, beschreibt einen auf die Temperatur reagierenden
Widerstand, der thermisch mit einem Körper aus Metalloxid-Varistormaterial
verbunden ist, bei einer Übergangsunterdrückung und
anderen Anwendungen. Im Fall einer übermäßigen Energieableitung im Varistor
nimmt die Temperatur des thermisch ansprechenden Widerstandes zu,
um ein Auslösesignal
zu einem Triac oder einem anderen ähnlichen elektronischen Schalter
zu liefern, der verwendet werden kann, um einen Alarm zu liefern,
eine erhöhte Kühlung des
Varistorkörpers
vorzusehen, um den Stromfluß von
den Varistoren umzuleiten oder zu begrenzen. Der Stromfluß durch
den auf Temperatur ansprechenden Widerstand kann von einem dritten Anschluß am Metalloxidvaristor
geliefert werden, in welchem Fall die Schaltung sowohl auf die gesamte Energieableitung
als auch die Spitzenenergieableitungspegel im Varistor anspricht.
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Das
US-Patent 5 379 176, Bacon et al., über "Protective Input Circuit for an Instrument", wird hiermit durch
den Hinweis aufgenommen. Dieses Patent beschreibt eine Schutzschaltung
für den
Eingang eines Multimeters, die mit in Reihe geschalteten Thermistoren
versehen ist, die teilweise durch einen Varistor überbrückt sind,
wodurch eine Überlastspannung
zwischen den Thermistoren verteilt wird, was einen Schutz bei höheren Spannungspegeln
ermöglicht.
Parallel geschaltete Varistoren schützen hauptsächlich gegen vorübergehende Überlasten und
sind mit den vorstehend erwähnten
Thermistoren thermisch gekoppelt, um die Thermistoren schneller
auf ihren Zustand mit hohem Widerstand zu bringen, so daß eine Beschädigung an
den Varistoren vermieden wird und ein fortgesetzter Schutz bereitgestellt
wird.
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Das
US-Patent 5 250 893, Gambill et al., über "Digital Voltmeter", hiermit durch den Hinweis aufgenommen,
beschreibt ein Spannungsmeßinstrument,
das im Allgemeinen eine Signalaufbereitungsschaltung umfaßt, die
mit Eingangssonden zum Schutz gegen Überspannungen und zum Verarbeiten von
Eingangsspannungssignalen gekoppelt ist. Eine VAC/VDC-Steuerschaltung
stellt fest, ob Wechsel- oder Gleichspannungen vorhanden sind, und
sie gibt zwangsläufig
an, wenn keine Spannung in einer Testschaltung vorhanden ist. Die
Meßschaltung
der Erfindung bestimmt dadurch automatisch die zweckmäßige Betriebsart
für die
Art von Spannung, die in einer Testschaltung vorhanden ist, um die
Benutzerauswahl der Betriebsparameter und mögliche Fehler zu beseitigen.
Ferner ist die Meßschaltung
dazu ausgelegt, eine zweckmäßige Bezugsspannung
für die
gemessene Spannung automatisch zu erzeugen, um wieder die Auswahl
eines Spannungsbereichs durch den Benutzer zu beseitigen. Eine Leistungsüberwachungsschaltung
ist so ausgelegt, daß sie
das Meßinstrument
automatisch abschaltet, nachdem eine vorbestimmte Menge an Zeit
abgelaufen ist, jedoch automatisch die Leistung in dem Fall abschaltet,
daß die
verfügbare
Batterieleistung unter einen gegebenen Pegel fällt.
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Das
US-Patent 4 031 431, Gross, über "Ground Fault Circuit
Interrupter", hiermit
durch den Hinweis aufgenommen, offenbart eine Vorrichtung mit einer
Polaritätserfassungseinrichtung
und einem Schalter wie z.B. einem Triac zum Vorsehen eines Erdschluß-Schaltungsunterbrechersystems
für eine elektrische
Last wie z.B. ein in der Hand gehaltenes Gerät. Der Triac ist in einer vollständigen Schaltung mit
der elektrischen Last elektrisch verbunden und wird zwangsläufig mit
dem Leiter einer Wechselspannungsquelle in Reihe angeordnet.
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Das
US-Patent 3 959 695, Shimp, über "Circuit Interrupter
With Ground Fault Trip Control",
hiermit durch den Hinweis aufgenommen, beschreibt einen Schaltungsunterbrecher
mit einem zugehörigen Steuersystem,
das einen Überlaststrom
oder Erdschlußstrom
feststellt und eine geeignete Auslösung des Schaltungsunterbrechers
bewirkt. Die Auslöseenergie
zum Bewirken, daß sich
der Schaltungsunterbrecher unter einer normalen Fehlerbedingung öffnet, wird
vom Fehlerstrom selbst abgeleitet. Außerdem wird die Auslöseenergie
zum Bewirken, daß sich der
Schaltungsunterbrecher aufgrund einer Erdschlußbedingung öffnet, vom Erdschlußstrom abgeleitet.
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Das
US-Patent 4 109 226, Bowling et al., über "Disconnect Switch with Reset Mechanism", wird durch den
Hinweis hierin aufgenommen. Dieses Patent beschreibt einen getrennten
Schalter oder ein Hitzdrahtrelais zur Verwendung mit einem Erdschluß-Schaltungsunterbrecher
in einer Leistungsschaltung für
eine Last wie z.B. einen elektrischen Bereich, um einen Erdschlußschutz
für irgendeine Schaltung
des Bereichs bereitzustellen. Der Schalter weist normalerweise geschlossene
Schalterkontakte, einen vorgespannten Stellgliedkolben und einen
einstellbaren Hitzdraht zum Lösen
des Riegels und daher des Kolbens, wenn die Schaltung überlastet
ist, auf. Der Kolben des Schalters ist von einer entfernten Position
aus manuell zurücksetzbar.
Der Rücksetzmechanismus
weist ein Anti-Manipulations-
oder Auslösemerkmal
auf, das verhindert, daß die
Bedienperson die getrennten Kontakte geschlossen hält, während ein
Fehler in der Schaltung vorhanden ist.
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Das
US-Patent 5 637 990, Kato et al., über "High Speed, Large-Current Power Control
Apparatus", wird
auch durch den Hinweis hiermit aufgenommen. Es offenbart eine Leistungssteuervorrichtung zum
Schützen
einer elektrischen Schaltung vor einem übermäßigen Strom und insbesondere
zum Schützen
derselben vor einem großen
und schnellen Übergangsimpuls,
der durch einen schnellen Strompolaritätsübergang verursacht wird. Mindestens
zwei Schaltvorrichtungen sind zwischen einer Stromversorgung und
einer Last in Reihe oder parallel geschaltet. Ein Gattersignal wird
erzeugt, um die Schaltvorrichtungen vom leitenden Zustand in einen nicht-leitenden
Zustand in Reaktion auf die Erfassung eines übermäßigen Stroms zu ändern. Das
Gattersignal wird um eine vorbestimmte Zeitperiode verzögert, um
die Schaltvorrichtungen in den nicht- leitenden Zustand zu ändern, nachdem
alle Schaltvorrichtungen gesättigt
sind, so daß der
schnelle Strompolaritätsübergang
beseitigt wird.
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Das
US-Patent 4 375 660, Tate et al., über "Ground Isolation Monitoring Apparatus
Having a Protective Circuit",
hiermit durch den Hinweis aufgenommen, beschreibt eine Erdungsisolationsüberwachungsvorrichtung
mit einer Schutzschaltung zur Verwendung zwischen einer Wechselspannungsquelle
und einer Nutzvorrichtung wie z.B. einem elektronischen Instrument.
Die Schutzschaltung ermöglicht
den Betrieb der Nutzvorrichtung, wenn die Erdung getrennt ist, wobei
die Erdung automatisch wieder verbunden wird, wenn eine gefährliche
Spannung oder ein gefährlicher
Strom am Vorrichtungsgehäuse
oder an freiliegenden Metallteilen erscheint. Die Schutzschaltung überwacht
auch die Neutral-Erdungs-Kontinuität und schaltet die Wechselspannung
zur Nutzvorrichtung ab, wenn sich der Erdungsweg öffnet oder
wenn dessen Impedanz zunimmt. Verschiedene weitere Merkmale können vorgesehen sein,
um einen sicheren Betrieb der Vorrichtung sicherzustellen.
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Das
US-Patent 4 087 846, Hughes et al., über "Protective Circuit Apparatus" wird hiermit durch den
Hinweis aufgenommen. Dieses Patent beschreibt eine Schutzschaltung
zum Trennen des Leistungsflusses zu einer elektrischen Vorrichtung bei
der Feststellung einer vorbestimmten Bedingung wie z.B. eines Stromflusses über einem
vorbestimmten Pegel in der Erdungsleitung oder eines Stromflusses
oberhalb eines vorbestimmten Pegels in der Leistungs- oder stromführenden
Leitung. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schaltung zum
Erfassen eines übermäßigen Stromflusses
im Erdungsdraht und die Schaltung zum Erfassen eines übermäßigen Stromflusses
in der stromführenden Leitung
mit einer Wandlerschaltung mit zwei bis drei Drähten in Reihe geschaltet, die
eine korrekte Verbindung mit einer Quelle für elektrische Energie sicherstellt.
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Industriesicherheitsanforderungen
geben vor, daß ein "potentialfreies" Instrument eine "doppelte Isolierung" oder zumindest eine
Einrichtung zum Begrenzen eines Fehlerstroms, der die Bedienperson
einer Schlaggefahr aussetzten könnte, aufweisen
sollte. Dies bedeutet, daß der
ganze Abstand vom inneren Metall zu externen Oberflächen oder,
wo auch immer der "Standardfinger" berühren kann,
größer sein
muß als
ein Nennwert. Verschiedene Nennwerte bestimmen, welche Abstandswerte
geeignet sind. Im Allgemeinen besteht jedoch bei einem einzelnen
Kanal und doppelter Isolierung kein Bedarf für einen redundanten (internen)
Schutz, da die Herstellung einer einzelnen Verbindung mit irgendeiner
zulässigen
Spannung die internen Einrichtungen des ganzen Instruments einfach
auf diesem Potential schweben läßt. Dies
ist ausreichend sicher, da kein freiliegendes Metall vorhanden ist,
damit ein Strom durchfließt,
so daß er
zum Benutzer gelangt, selbst wenn die Sondenmasse fälschlich
mit einer hohen Spannung verbunden ist.
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Ein
Konkurrenzprodukt nimmt die in 1B gezeigte
Methode. Es verwendet einen PTC-Widerstand in Reihe mit den Massezuleitungen.
Diese Methode löst
die Feuergefahrsorge, da der PTC-Widerstand sich schnell genug aufheizt
und den Widerstandswert in Gegenwart eines ernsten Massestroms drastisch
erhöht.
Der erhöhte
Widerstand begrenzt den Strom und die Energie, die zum Verursachen
eines Schadens an der getesteten Schaltung oder am Instrument während eines
Fehlers zur Verfügung
stehen. Leider ist die durch dieses Verfahren bereitgestellte Energiebegrenzung
nicht niedrig genug, um die menschliche oder Anlagensicherheit unter
allen Umständen
sicherzustellen. Diese Bedingung wird dann unter Verwendung von
speziellen Sonden mit zusätzlichem
Isolationskunststoff angegangen, um den Benutzer vor einem Kontakt
mit dem Metall der Erdungsklemmen abzuschirmen, und gab die Verwendung
eines einzelnen Erdungsdrahtsystems vor. Wenn ein Benutzer auf Sonden
ohne zusätzliche
Isolation zurückgreift,
könnte
eine Gefahr existieren, wenn diese Sonde fälschlich mit erhöhten Spannungen
verbunden wird.
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Verfahren
mit vollständiger
Isolation können eine überlegene
Sicherheit bereitstellen, sind jedoch im Allgemeinen teuer zu implementieren.
Bei vollständiger
Isolation weist jeder Kanal eine gewisse Form von galvanischer Isolation
auf, was bedeutet, daß keine
Leiter direkt die Eingangsstufen mit dem "Kern" des
Instruments verbinden. Statt dessen läuft das Signal vom einem Abschnitt
zum anderen über eine
magnetische oder optische Kopplung oder eine Kombination beider.
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Verfahren
mit vollständiger
Isolation haben zwei Hauptvorteile. Einer von diesen umfaßt die vollständige Abwesenheit
eines Gleichstromkriechweges und eine sehr minimale Wechselstromableitung. Hinsichtlich
der Abwesenheit eines Gleichstromkriechweges besteht einfach kein
Weg, damit ein Strom fließt,
egal was der Benutzer mit den Eingangssonden macht. Der Kriechwechselstrom
ist aufgrund nur der parasitären
Kapazität,
die die isolierte Eingangsstufe mit dem Instrumentenkern und wieder
nach außen
mit den anderen einzeln isolierten Kanälen koppelt, minimal. Auch
bei vollständiger
Isolation kann jeder Kanal immer noch normale und genaue Messungen
ungeachtet irgendeiner Differenz zwischen den Sondenerdungsklemmen
durchführen (zumindest
bis zur Durchbruchgrenze der Isolationsvorrichtungen).
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Diese
Vorteile kommen natürlich
mit Kosten. Viele zusätzliche
Komponenten sind im Allgemeinen erforderlich, um eine vollständige Isolation
zu erreichen. Und die optischen und magnetischen Komponenten, die
für die
galvanische Isolation erforderlich sind, sind gewöhnlich relativ
teuer. Um den Frequenzbereich abzudecken, der für ein isoliertes Oszilloskop
erforderlich ist, ist überdies
typischerweise eine Kombination von sowohl optischer als auch magnetischer
Kopplung erforderlich, um das Frequenzspektrum abzudecken. (Die
optische Kopplung ist von der Gleichspannung zu einigen Megahertz
wirksam, während
die magnetische Kopplung Frequenzen von Hunderten Kilohertz bis
Hunderten Megahertz abdecken kann.)
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Im
Fall der THS7X0-Familie von isolierten Oszilloskopen des Standes
der Technik gibt es eine patentierte Schaltung, die bewirkt, daß die optische und
magnetische Kopplung gemeinsam arbeiten, um ein flaches nahtloses
Ergebnis von der Gleichspannung zu 200 MHz zu erzeugen. Das US-Patent
5 517 154, Baker et al., über "Split-Path Linear
Isolation Circuit Apparatus and Method", wird hiermit durch den Hinweis aufgenommen.
Dieses Patent beschreibt einen Isolationsverstärker mit geteiltem Weg, der
einen Transformator in einem Hochfrequenzweg und einen optischen
Koppler in geschlossener Schleife mit einzelnem Eingang und doppeltem
Ausgang in einem Niederfrequenzweg verwendet. Dies erreicht einen flachen,
breiten Frequenzgang ohne Bedarf für Frequenzkompensationseinstellungen.
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In
einem Niederfrequenzweg liefert der Optokoppler alles oder das meiste
des Signals zum Ausgang. Der Isolationsverstärker verwendet einen im Wesentlichen überlappten Übergangsfrequenzbereich,
in dem das hohe Signal an eine Primärwicklung des Transformators
angelegt wird und das Signal des niedrigen Weges differentiell an
Sekundärwicklungen des
Transformators angelegt wird. Bei Frequenzen unterhalb des Übergangsfrequenzbereichs
dominiert das Signal vom Optokoppler, da das Signal, das von den
Primärwicklungen
gekoppelt wird, abfällt.
Bei Frequenzen über
dem Übergangsfrequenzbereich dominiert
das von den Primärwicklungen
gekoppelte Signal, da das von der Primärwicklung gekoppelte Signal
abfällt.
Bei Frequenzen innerhalb des Übergangsfrequenzbereichs
wirken Magnetflußkomponenten,
die von den primären
und sekundären
Transformatorwicklungen erzeugt werden, zusammen, um ein kombiniertes
Ausgangssignal mit einem flachen Frequenzgang zu liefern. Die einzigen
Einstellungen sind jene, die erforderlich sind, um die Verstärkung des
niedrigen Weges auf die Verstärkung
des hohen Weges abzugleichen und um irgendeinen Versatz im niedrigen
Weg zu kompensieren.
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Zusätzlich zu
diesen magnetischen und optischen Komponenten, die ziemlich teuer
sind, besteht ein zusätzlicher
Bedarf für
eine Leistungsversorgungsisolation. Es genügt nicht, einfach die Signalwege
zu isolieren, da die Kanäle
tatsächlich
nicht voneinander isoliert werden würden, wenn sie dieselbe Leistungsquelle
gemeinsam nutzen würden.
Daher müssen
Schaltungen vorhanden sein, die die Leistung zu den einzelnen Kanälen leiten.
Eine Schaltreglerschaltung ist erforderlich, um die Wechselspannung
zum Leiten durch den Leistungstransformator von jedem Kanal sowie
zum Umwandeln der Wechselspannung wieder in eine verfeinerte und
geregelte Leistungsquelle an jedem Kanal zu erzeugen. Die Gesamtkosten
der Komponenten für
die vollständige
Isolation sind relativ hoch.
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Was
erforderlich ist, ist ein Masse-(Erdungs-)System, das doppelt gegen
schädigende
und gefährliche
Fehler geschützt
ist und das aus relativ kostengünstigen
Teilen konstruiert ist.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine redundante elektrische Sicherheit
und viel niedrigere Teilekosten relativ zu Verfahren mit vollständiger Isolation bereit.
Die Schaltung erfaßt
einen übermäßigen Strom
in irgendeinem Masseweg, d.h. einen Strom, der einen vorbestimmten
sicheren Pegel überschreitet,
und öffnet
automatisch Halbleiterschalter, um alle Massewege zu trennen, wenn
der Strom in irgendeinem von diesen Massewegen als zu hoch festgestellt wird.
Ein Widerstandselement mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC)
in Reihe mit jedem Halbleiterschalter stellt einen automatischen
redundanten Schutz bereit.
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KURZBESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN
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1A und 1B sind
schematische Diagramme von zwei Schaltungen gemäß dem Stand der Technik. 1A zeigt
eine Schaltung mit direkten Verbindungen zwischen den Kanalerdungen
und der Instrumentenerdung. 1B zeigt
eine Schaltung, bei der die Kanalmassen mit einer geschützten Instrumentenerdung
durch PTC-Bauelemente gekoppelt sind.
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei ein zusätzlicher
Schutz durch Halbleiterschalter in Reihe mit PTC-Bauelementen bereitgestellt
ist, wobei diese Schalter durch eine Stromerfassungs- und Steuerschaltung
gesteuert werden.
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3 ist
ein detailliertes schematisches Diagramm einer weiteren Schaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Diese Ansicht mit ihrem zusätzlichen Detail stellt dar,
wie die Stromerfassungs- und Schaltersteuerungen implementiert werden
können.
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4A und 4B stellen
eine Version der vorliegenden Erfindung mit einer größeren Anzahl von
Kanälen
dar, wobei alle Kanäle
durch einen übermäßigen Strom,
der in irgendeinem Kanal erfaßt wird,
geöffnet
werden.
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5 ist
ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei die Steuerrückkopplung über eine
nicht-galvanische Isolationseinrichtung geliefert wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Schaltung, wobei ein zusätzlicher
Schutz durch Halbleiterschalter Q1 und Q2 in Reihe mit den Bauelementen
PTC1 und PTC2 vorgesehen ist. Die Stromerfassungs- und Steuerschaltung 10 weist
Erfassungseingänge
von jeder Kanalmasse auf. Sie betreibt Schaltersteuersignale, um Q1
und Q2 zu öffnen,
wenn ein Erdungsstromfehler erfaßt wird. Dieselben BNC-Masseverbindungen sind
auch mit der internen Instrumentenerdung durch ein Paar von Wegen
mit niedriger Impedanz gekoppelt, von welchen einer die Reihenelemente
PTC1 und Q1 umfaßt
und von denen der andere die Reihenelemente PTC2 und Q2 umfaßt, Die
Leitung durch Q1 und Q2 wird durch das Schalter-Steuerausgangssignal
der Stromerfassung und Steuerung 10 gesteuert. Im normalen
Betrieb sind beide Transistoren leitend, um Gleichstromerdungswege
mit niedriger Impedanz bereitzustellen.
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3 ist
ein detailliertes schematisches Diagramm einer weiteren erfindungsgemäßen Schaltung.
Diese Ansicht stellt dar, wie die Stromerfassungs- und Schaltersteuerungen
implementiert werden können.
BNC-Masseverbindungen
sind mit der internen Instrumentenerdung durch Hochfrequenz-Überbrückungskondensatoren
C1 bzw. C2 gekoppelt. Dieselben BNC-Erdungsverbindungen sind auch
mit der internen Instrumentenerdung durch ein Paar von Wegen mit
niedriger Impedanz gekoppelt, von denen einer die Reihenelemente
PTC1 und Q1 umfaßt
und der andere die Reihenelemente PTC2 und Q2 umfaßt. Die
Leitung durch Q1 und Q2 wird durch das/Q-Ausgangssignal von U2 gesteuert und
im normalen Betrieb sind beide Transistoren leitend, um einen Gleichstromweg
mit niedriger Impedanz bereitzustellen.
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Während das/Q-Ausgangssignal
von U2 die Transistoren Q1 und Q2 steuert, überträgt das Q-Ausgangssignal von
U2 den Steuerschaltungszustand. Ein hohes Ausgangssignal gibt an,
daß die
Sicherheitsschaltung ausgelöst
wurde, d.h. die Massezuleitungen getrennt wurden. Ein niedriges
Ausgangssignal gibt an, daß die
Sicherheitsschaltung aktiviert ist, d.h. im normalen Modus arbeitet.
Ein CLR-Eingangssignal
in U2 reagiert auf ein aktives niedriges Signal durch erneutes Verbinden
des Kanals und der Instrumentenerdungen. U2 wird durch das Ausgangssignal
von U1 getaktet und, wenn es einen Übergang von niedrig auf hoch
durchführt,
wurde ein Erdschluß erfaßt. Das
U2-Q-Ausgangssignal schaltet dann auf einen hohen Pegel, während das/Q-Ausgangssignal
auf einen niedrigen Pegel schaltet.
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Wenn
ein Spannungspotential über
den freiliegenden Massen der BNC-Verbindungsstecker
entsteht, entwickelt sich eine Spannung über PTC1 und eine entgegengesetzte
Spannung entwickelt sich über
PTC2. Diese Spannung wird über
die Strombegrenzungswiderstände
R1 bzw. R3 mit D1 und D2 gekoppelt, die Ausgangsknoten dieser Widerstände werden
dann mit dem Erfassungsschaltungseingang durch D1 und D2 gekoppelt.
In Abhängigkeit
von der Polarität
der Spannung über
den freiliegenden BNC-Masseverbindungen wird eine oder die andere der
Dioden D1 und D2 in Durchlaßrichtung
vorgespannt und legt eine Spannung an die Oberseite von C3 an. Diese
Spannung wird mit Vt verglichen und, wenn die diodengekoppelte Spannung
Vt übersteigt, führt das
Ausgangssignal von U1 den Übergang
von niedrig auf hoch durch.
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Wenn
die Spannung an C3 Vt und das Ausgangssignal von U1, die durch die
Spannungsteiler R5 und R6 festgelegte Spannung, übersteigt, schaltet das Ausgangssignal
des Vergleichers U1 von einem niedrigen auf einen hohen Pegel, was
U2 taktet. Da der D-Eingang von U2 mit einer positiven Spannung
verbunden ist, verursacht der Taktsignaleingang, daß sich U2
festlegt, was ein hohes Q- Ausgangssignal
und ein niedriges/Q-Ausgangssignal erzeugt. Das niedrige/Q-Ausgangssignal von
U2 schaltet Q1 und Q2 ab, wobei die Wege zwischen den externen freiliegenden
Leitern und der internen Instrumentenerdung aktiv getrennt werden.
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Der
einzige Gleichstrom, der durch die freiliegenden Erdungsverbindungsstecker
fließt,
sobald U2 ausgelöst
ist, ist der durch R1 oder R3 begrenzte Strom. Der Wechselstrom
hat immer noch einen Weg durch C1 und C2, aber für die meisten Anwendungen mit
potentiell gefährlichen
Spannungen ist die Frequenz niedrig genug, daß der Strom durch C1 und C2 nicht
schädlich
ist. Die Kondensatoren C1 und C2 sind so gewählt, daß sie der Minimalwert sind,
der erforderlich ist, um die Signalintegrität während einer schnell ansteigenden
Stufe, die in den Signaleingangsweg einer Anlage eingespeist wird,
aufrechtzuerhalten. Dies hält
die vorübergehende
Reaktion derart aufrecht, daß keine
verschlechternde Wirkung des (der) Signalweges (Signalwege) aufgrund
des in den Erdungsknoten eingeführten
Widerstandes besteht. Die Überbrückungskondensatoren
C1 und C2 erzeugen auch einen Weg für eine elektrostatische Entladung,
die zum Schützen
der Schalter Q1 und Q2 sowie des Systems als ganzes dient.
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Der
Kondensator C3 filtert elektrisches Rauschen oder Spitzen und sein
Wert ist beim Verhindern einer falschen (störenden) Auslösung der
aktiven Erdungstrennschaltung wichtig. Die beabsichtigte Anwendung
und der Wert der Strombegrenzungswiderstände R1 und R2 bestimmen den
geeigneten Kapazitätswert.
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Immer
noch mit Bezug auf 3 müssen die Werte der Komponenten
C1, C2, R1, R3, Q1, Q2, PTC1 und PTC2 alle für maximale erwartete Spitzenfehlerspannungen
bemessen werden. U1 und U2 und ihre zugehörige Schaltung ist eine Weise,
aber nicht die einzige Weise, in der die Erfassungs- und Steuerschaltung 10 implementiert
werden kann. Dieselbe Funktion kann mit diskreten Transistoren und einer
Steuerung, die durch fast eine beliebige Art von Mikroprozessor
oder einfacher Logik bereitgestellt wird, bewerkstelligt werden.
Q1 und Q2 sind Anreicherungs-MOSFETs mit in dem Beispiel Logikpegel- Gateschwellen. Die
PTC-Widerstände
sind typischerweise von 500 Ohm bis 1K Ohm in ihrem (normalen) kalten
Zustand. Die Widerstandswerte für
R1 und R3 werden auf der Basis des gewünschten maximalen Kriechgleichstroms
im ausgelösten
Zustand festgelegt.
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Die
Funktion der PTC-Widerstände
besteht hauptsächlich
darin, als redundante Schutzimpedanz im Fall eines Steuerschaltungs-
oder Schalterausfalls zu wirken. Da UL und CSA, die national anerkannte Sicherheitstestorganisationen
sind, bereits eine Meßanlage
gebilligt haben, die nur PTC-Widerstände als Schutz mit Überbrückungskondensatoren
für die Signalintegrität verwendet,
kehrt jeglicher Steuerschaltungs- oder Schaltvorrichtungsfehler
im schlimmsten Fall zu diesem gebilligten Schutzniveau zurück.
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Wenn
ein Erdschlußpotential über den
Massezuleitungen lang genug angelegt wird, um durch das Störimpulsfilter
R1 oder R3/C3 zu gelangen und einen ausgelösten Zustand zu verursachen,
dann sind Einrichtungen zum Zurücksetzen
des Systems erforderlich. Die Sicherheitszertifikation erfordert, daß eine explizite
Erkennung des Fehlers durch den Benutzer besteht und eine anschließende manuelle Rücksetzung
durchgeführt
wird, bevor der Benutzer mit weiteren Messungen fortfahren kann.
Dies kann als Teil der Anlagen-Benutzerschnittstelle durch Verwendung
einer Meldung auf einem Anzeigebildschirm, die anweist, was getan
werden muß,
um diese Rücksetzoperation
des AGD-Systems durchzuführen,
oder eine gewisse Auslöseindikatorvorrichtung
mit einer zugehörigen
Rücksetztaste
ganz wie eine rücksetzbare
Sicherung durchgeführt
werden. In der in 3 dargestellten Implementierung überwacht
ein Mikroprozessor den von US ausgegebenen Zustand und, wenn die
korrekte Benutzerhandlung unternommen wurde, kann das Programm die CLR-Leitung
mit niedrigen Impulsen beaufschlagen, um eine erneute Verbindung
der Erdungswege zu bewirken. Wenn die Leistung für das Meßinstrument abgeschaltet wird,
fallen die Gatespannungen an Q1 und Q2 auf Null und trennen von
Natur aus die Masse-(Erdungs-)Wege, was es unter allen Bedingungen sicher
macht.
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Mit
Bezug als nächstes
auf 4 können dieselben allgemeinen
Prinzipien der Erfindung auf Mehr-Kanal-Umgebungen angewendet werden.
Wie in Richtung der Unterseite dieser Figur zu sehen ist, können zusätzliche
Sätze von
Transistorschaltern, wie z.B. Q3 und Qn, und PTC-Widerständen, wie
z.B. PTC3 und PTCn, durch R3 und Rn durch den Abfall über Q3/PTC3
und Qn/PTCn überwacht
werden. Dieselben hier für
die Verwendung mit freiliegenden Massenverbindungssteckern gezeigten
Prinzipien können
auch bei anderen freiliegenden leitenden Knoten, die potentialfrei
sind, verwendet werden, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit
der Anlage verbessert werden.
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Mit
Bezug zuletzt auf 5 arbeitet diese Schaltung ganz
wie die in 3 gezeigte Schaltung, außer daß der Photoisolator
PV1 die Steuersignale zu den Halbleiterschalttransistoren Q1, Q2,
Q3 und Q4, die nun in Paaren erscheinen, zurückkoppelt. Die Dioden D1 und
D2 sind nun jeweils ein Paar von Dioden. Jeder Photoisolator unterstützt die
Steuerung von zwei Kanälen
in diesem Beispiel.
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Obwohl
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, ist es
für Fachleute
ersichtlich, daß viele Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung
in ihren breiteren Aspekten abzuweichen. Die Ansprüche, die
folgen, sollen daher alle derartigen Änderungen und Modifikationen
abdecken, die durch die Patentgesetze der Länder, in denen dieses Patent
erteilt wird, zugelassen sind.