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Elektrisches Messinstrument
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Messinstrument, welches mit einem Messgleichrichter und mit einer Überlastungsschutzeinrichtung sowie mit einer Kaltkathodenröhre versehen ist. In der überwiegenden Mehrzahl sind derartige Instrumente mit einem sehr empfindlichen Drehspulmesswerk ausgestattet. Elektrische Messinstrumente dieser Art können nach Überlastung durch hiebei erfolgte Beschädigung der Messgleichrichter erhebliche Messfehler aufweisen oder auch ganz versagen.
Eine Überlastung des Gleichrichters der z. B. ein Kupferoxydul-, Selen-, Germanium- oder SiliziumGleichrichter sein kann, ist durch zu hohe, in der Durchlass- oder in der Sperrichtung fliessende Ströme möglich. In der Durchlassrichtung wird durch eine zu hohe Strombelastung die zulässige Verlustleistung überschritten und eine Veränderung der Kennwerte durch übermässige Erwärmung verursacht. In der Sperrrichtung kann durch Überschreiten der zulässigen Sperrspannung der Gleichrichter durchgeschlagen werden. Der Nachteil dieser Empfindlichkeit der Gleichrichter gegen Überlastungen ist in den "Regeln für Messgeräte" (VDE 0410/1059) berücksichtigt. In µ 25, Punkt d dieser Regel sind elektrische Messgeräte mit Messgleichrichtern von einer Überlastungsprüfung ausgenommen.
Auch in der internationalen,"IECEmpfehlung für Messgeräte" wurde dies berücksichtigt.
Es gibt elektrische Messgeräte mit einem Überlastungsschutz. bei denen der Gleichrichter nur im beschränktem Umfang vor Überlastung geschützt wird oder die andere messtechnische Nachteile aufweisen.
Eine solche Schutzeinrichtung besteht z. B. aus einem empfindlichen Mechanismus, welcher, durch das Messwerk betätigt, einen Kontakt öffnet, der den gesamten Stromkreis des Gerätes unterbricht. Bei andern Ausführungsformen ist in Serie oder parallel zum Messwerk ein empfindliches Relais geschaltet, welches im Falle einer Überlastung den gesamten Instrumentenstromkreis unterbricht. Bei einer Variante hievon wird durch den Schutzkontakt nur bei hochohmigen Messbereichen, z. B. bei Spannungsbereichen, der Instrumentenstromkreis unterbrochen und bei niederohmigen Bereichen, z. B. bei Strombereichen, der Eingang des Instrumentes kurzgeschlossen.
Diese bekannten Schutzeinrichtungen verhindern nicht eine unzulässige Beanspruchung des Gleichrichters vom Beginn der Überlastung bis zur Abschaltung (zum Kurzschluss) des elektrischen Messinstrumentes. Diese kurzzeitige Belastung von der Dauer einiger Millisekunden kann aber schon genügen, den Gleichrichter in seiner Qualität zu verändern bzw. ihn zu zerstören.
Bei einem verbesserten Überlastungsschutz wird ausser der Anwendung einer der vorher beschriebenen Methoden zum Gleichrichterausgang (bzw. zum Drehspulmesswerk) ein Halbleiterventil parallel geschaltet. Bei normalem Betrieb eines solchen Messinstrumentes ist der Spannungsabfall am Gleichrichterausgang klein und das Halbleiterventil hat einen sehr hohen Widerstand. Wird jedoch durch eine Überlastung der eingeprägte Strom grösser als der Nennstrom für den Messbereichendwert, so steigt die Spannung am Gleichrichterausgang an. Es wird dann durch den Halbleiter, infolge der nichtlinearen Spannungswiderstandskennlinie desselben, ein beträchtlicher Teil des gesamten Gleichstromes fliessen.
Da der Halbleiter bereits bei geringen Spannungen einen verhältnismässig kleinen Widerstand aufweist, wird dadurch die Spannung am Gleichrichterausgang begrenzt und die Messgleichrichter werden gegenDurchschlagenwerden in der Sperrichtung geschützt. Diese Anordnung mit einem Halbleiterventil hat jedoch einige wesentliche Nachteile.
Bei einer Überlastung des elektrischen Messinstrumentes wird ein Schutz des Messgleichrichters in der Sperrichtung erreicht, der Strom in der Durchlassrichtung jedoch nicht begrenzt. Es ist demnach die Mög-
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lichkeit einer thermischen Überlastung in der Durchlassrichtung noch immer gegeben. Ein weiterer Nachteil ist die messtechnische Auswirkung des Halbleiterwiderstandes. Bei normalem Betrieb des elektrischen Messinstrumentes wird der Einfluss des Halbleiterwiderstandes auf die Anzeige des Drehspulmesswerkes umso grösser sein, je empfindlicher das Messwerk und umso grösser die Spannung am Gleichrichterausga ! 1g ist. Es besteht natürlich die Möglichkeit, diesen durch die Shuntung des Messwerkes hervorgerufenen Anzeigefehler bei der Eichung des elektrischen Messinstrumentes zu berücksichtigen.
Ein Einfluss auf die Anzeige wird jedoch durch die hohe Temperaturabhängigkeit des Halbleiters bei Änderungen der Messtemperatur und durch die Eigenkapazität bei Abweichungen von der Eichfrequenz, beispielsweise im Tonfrequenzgebiet, vorhanden sein.
Diese Nachteile werden nun dadurch behoben, dass bei elektrischen Messinstrumenten der eingangs angeführten Art gemäss der Erfindung parallel zu den wechselstromseitigen Eingangsklemmen der Gleichrichterschaltung, an deren gleichstromseitigen Ausgangsklemmen das Messwerk und gegebenenfalls die Spule eines Überlastungsschutzrelais liegen, eine Kaltkathodenröhre, beispielswelse eine Glimmlampe oder Glimmröhre, geschaltet ist.
Weitere Merkmale der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert, welche in ihrenbeiden Figuren die Schaltungen zweier verschiedener Ausführungsbeispiele zeigt.
Der Fig. l ist die Schaltung eines Instrumentes zur Messung von Wechselstrom und Wechselspannung in jeweils drei Bereichen zu entnehmen. Von der einen Eingangsklemme kl geht eine Schiene Sch aus, auf welcher ein Schieber S gleitet und je nach dem gewünschten Messbereich auf einen der Kontakte Al- Ag (Strommessbereiche) oder V 1 - Va (Spannungsmessbereiche) eingestellt werden kann. Die Parallelwiderstände für die einzelnen Strommessbereiche sind mit NI - Na bezeichnet, während die Vorwiderstände für die Spannungsmessbereiche die Bezeichnungen W-W n führen.
Über einen Vorwiderstand P ist parallel zu der aus den Widerständen NI, N2 und Ng bestehenden Serienschaltung die eigentliche Mess- und Gleichrichterschaltung angeordnet. Diese besteht aus vier in Graetzschaltung angeordneten Gleichrichtern G ; die wechselstromseitigen Klemmen dieser Gleichrichterschaltung sind mit kw bezeichnet. An die gleichstromseitigen Klemmen g ist in Serie mit dem Relais R der Überlastungsschutzeinrichtung das Messwerk M angeschlossen. In der Zuleitung zur andern Messinstrumentenklemme k2 liegt ein Kontakt r, welcher mit dem Relais R in Verbindung steht und beim Ansprechen dieses Relais infolge zu hoher Ströme geöffnet wird.
Parallel zu den wechselstromseitigen Klemmen kw ist eine Glimmröhre GL geschaltet, welche als Schutz für plötzlich auftretende Überspannungen (bzw. Überströme in Folge dieser Spannungsspitzen) dient.
Bei normalem Betrieb des elektrischen Messinstrumentes ist die Spannung am Eingang der Gleichrichter kleiner als die Zündspannung der Glimmlampe GL. Solange diese nicht zündet, ist der Widerstand der Glimmlampe praktisch gleich dem Isolationswiderstand zwischen deren Elektroden, so dass kein Strom über die Glimmlampe fliesst. Die Anzeigegenauigkeit wird also nicht beeinflusst. Die Kapazität der Glimmlampe ist so klein, dass sie zumindest innerhalb des Tonfrequenzbereiches vernachlässigt werden kann.
Steigt die Spannung am Gleichrichtereingang aus irgendeinem Grunde über die Zündspannung der Glimmlampe an, so zündet diese und die Spannung sinkt auf die Brennspannung der Glimmlampe ab. Gleichzeitig wird die Glimmlampe leitend und shuntet die Eingangseite der Gleichrichteranordnung. Der Strom über die Glimmlampe wird durch die Schaltung des Messinstrumentes begrenzt ; der Strombegrenzungswiderstand P ist daher nicht unbedingt erforderlich. Ausserdem wird der Instrumentenstromkreis nach einigen Millisekunden - der Ansprechzeit des Relais R - durch Öffnen des Kontaktes r unterbrochen. Da am Gleichrichtereingang die Spannung nicht über die Brennspannung der Glimmlampe ansteigen kann, ist der Überlastungsschutz für den Gleichrichter nicht nur in der Sperrichtung, sondern auch in der Durchlassrichtung wirksam.
Weiters ist der niedrigere Preis einer Glimmlampe gegenüber einem Halbleiterventil ein wirtschaftlicher Vorteil dieser Schutzeinrichtung.
Für die Funktion des Gleichrichterschutzes ist es gleichgültig, ob die Messgleichrichter direkt oder über einen Messwandler an die übrige Schaltung des Messinstrumentes angeschlossen sind und ob es sich um eine Gleichrichterschaltung für Einweg- bzw. Zweiweggleichrichtung handelt.
Die Schaltung eines Messinstrumentes, bei dem die Messgleichrichter über einen Messwandler angeschlossen sind, ist in der Fig. 2 gezeigt. Die Ausbildung des Instrumentes mit Anschlussklemmen, Schiene, Schleifer, Kontakten für die Strom- und Spannungsmessbereiche und Vorwiderständen für die Spannungsbereiche sowie dem Kontakt r der t) berlastungsschutzeinrichtung ist gleich jener gemäss der Fig. 1. An Stelle der Parallelwiderstände NI - Na ist jedoch ein Messwandler MW vorgesehen, dessen Sekundär-
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seite mit der Messschaltung in Verbindung steht. Die Messschaltung besteht aus zwei Gleichrichtern G in Brückenschaltung, zwei Widerständen B und aus dem Messwerk M, welches wieder in Serie mit dem Relais R der Überlastungsschutzeinrichtung liegt.
Die Serienschaltung von Messwerk und Relais ist an die gleichstromseitigen Klemmen g der Gleichrichterschaltung gelegt. Parallel zu den wechselstromseitigen
Klemmen kw der Messgleichrichterschaltung ist wieder eine Glimmlampe GL gelegt.
Die Funktionsweise dieser Ausführungsform ist gleich jener nach der Fig. 1.