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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltung zur Energieversorgung
von mindestens einem elektrischen Verbraucher nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Es
ist bekannt, einen Versorgungsschaltkreis an eine Stromquelle, durch
die Wechselstrom zur Verfügung
gestellt wird, anzuschließen,
durch den ein Verbraucher, beispielsweise eine Lampe, ein Kühlschrank
oder Akkumulatoren, die in einem Segelboot oder in einem Wohnmobil
eingebaut sind, mit Energie versorgt werden. Dabei hat sich herausgestellt,
dass es in Stromnetzen z. B. für
Campingplätze oder
sonstigen insbesondere im Ausland vorhandene Stromversorgungseinrichtungen
zu unkontrollierbare Netz-Spannungsüberhöhungen kommen kann, die dazu
führen,
dass der Verbraucher beschädigt wird.
Um zeitlich begrenzte und transiente Netzüberspannungen bzw. sog. Surge-Überspannungspulse zu
begrenzen, werden vor dem Verbraucher Varistoren in den Versorgungsschaltkreis
eingebaut. Darüber
hinaus sind Sicherungen bekannt, die bei einer bestimmten Netzüberspannung
die Energieversorgung vollständig
unterbrechen, so lange bis die Sicherungen wieder in Betrieb genommen
werden.
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Als
nachteilig bei solchen Versorgungsschaltkreisen hat sich herausgestellt,
dass die Sicherungen nach deren Aktivierung entweder ausgetauscht,
zumindest jedoch wieder eingeschaltet werden müssen, um erneut eine elektrische
Koppelung der Verbraucher mit der Stromquelle herzustellen. Oftmals
sind jedoch die Benutzer von Wohnmobilen nicht anwesend, so dass
eine zeitlich unmittelbar nachgeschaltete Inbetriebnahme der Verbraucher nicht
gewährleistet
ist, wodurch die Stromversorgung zumindest für diesen Zeitraum nicht besteht.
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Die
vorgesehenen Varistoren weisen den Nachteil auf, dass zwar zeitlich
länger
bemessene Überspannungen
mit einer sehr geringen Verzögerung
von weniger als 10 Millisekunden sicher und verlustarm für eine bestimmte
Zeit, beispielsweise eine Sekunde, abgeschaltet werden; wird jedoch
die zeitlich vorgegebene Periode, innerhalb der die Netzüberspannung
vorherrscht, überschritten,
sichern die Varistoren die angeschlossenen Verbraucher nicht, denn
die Varistoren werden wieder eingeschaltet, so dass erneut Überspannungen
von der Stromquelle an die Verbraucher abgegeben wird.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung der eingangs genannten
Gattung zur Verfügung
zu stellen, durch die gewährleistet
ist, dass bei Netzunterbrechungen erneut eine selbsttätige Einschaltung
erfolgt und dass auch bei länger
andauernden Netzüberspannungen
eine zuverlässige
Abkoppelung der elektrischen Verbraucher von der die Netzüberspannung
liefernden Stromquelle gewährleistet
ist. Die Verbraucher sollen somit vor zeitlich unbegrenzten Überspannungen
geschützt
werden und unmittelbar nachdem die Stromnetzstörungen beendet sind, selbsttätig in Betrieb
genommen werden. Des Weiteren soll die Schaltung als nachrüstbarer
Schaltkreis einbaubar sein.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Als
besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung
hat sich herausgestellt, dass die Netzhalbwellen permanent durch
den Steuerungsüberwachungsschaltkreis
auf Grenzwertüberscheitungen
kontrolliert werden und bei einer eintretenden Grenzwertüberschreitung
verzögerungsarm
ein Schaltsignal ausgelöst
wird, durch das der im Versorgungsschaltkreis angeordnete Schalter unmittelbar
abgeschaltet wird, so dass der elektrische Verbraucher von der Stromquelle
getrennt ist. Eine solche Grenzwertüberschreitung der Netzspannung
wird auch, nachdem der Schalter den Verbraucher von der Stromquelle
abgetrennt hat, weiterhin überwacht
und eine Zuschaltung des Verbrauchers erfolgt zeitverzögert, wenn
die Netzwertspannung wiederum innerhalb der zulässigen voreingestellten Grenzen
angelangt ist.
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Darüber hinaus
sind die elektrischen Bauteile, die in der erfindungsgemäßen Schaltung
eingebaut sind, unmittelbar mit der Stromquelle verbunden, so dass
diese unabhängig
von dem Betriebszustand des Schalters arbeiten und folglich die
Netzwertspannung permanent messen und entsprechend auswerten. Somit
können
beispielsweise Akkumulatoren über
einen längeren
Zeitraum vom Stromnetz abgekoppelt werden und gleichzeitig werden
die an die Akkumulatoren angeschlossenen elektrischen Verbraucher
mit Energie versorgt. Üblicherweise werden
nämlich
elektrische Verbraucher in Wohnmobilen bzw. Segelbooten nicht unmittelbar über eine Netzspannung
in Betrieb gesetzt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die elektrischen
Verbraucher unmittelbar am Versorgungsschaltkreis angeschlossen
sind.
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Da
als Schalter ein Relais eingesetzt wird, ist gewährleistet, dass bei Überspannungen
an diesem elektrischen Bauteil keine Beschädigungen erfolgen, denn ein
solches Relais ist üblicherweise
gegenüber Spannungsschwankungen
resistent und wird nicht beschädigt.
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt,
das aus zwei Schnittstellenvarianten besteht und das nachfolgend näher erläutert wird.
Im Einzelnen zeigt:
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1 eine
elektrische Schaltung mit einem Versorgungs-, einem Steuerungs- und einem Spannungsüberwachungsschaltkreis,
die parallel zueinander elektrisch geschaltet sind, wobei zwischen
dem Spannungsüberwachungsschaltkreis
und dem Steuerungsschaltkreis eine visuell betriebene Schnittstelle
als erste Variante zur Erzielung einer Schaltverbindung zwischen
diesen Schaltkreisen vorgesehen ist,
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2 den
sich ergebenden Kurvenverlauf der Spannungswerte über die
Zeit für
den Betrieb der elektrischen Schaltung gemäß 1 und
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3 einen
Ausschnitt aus der elektrischen Schaltung gemäß 1 mit einer
zweiten Variante für
eine magnetisch betriebene Schnittstelle.
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In 1 ist
eine elektrische Schaltung 1 dargestellt, durch die ein
in dieser eingesetzter Verbraucher 4 vor Netzüberspannungen
vollständig
geschützt
ist und durch die gewährleistet
ist, dass die Versorgung des Verbrauchers 4, in Anhängigkeit
der anliegenden Netzspannung, unabhängig von außen zu oder angeschaltet wird.
Zu diesem Zweck besteht die elektrische Schaltung 1 aus
vier Schaltkreisen 3, 12, 13 und 31,
die nachfolgend in ihrem Aufbau und in ihrer Funktionsweise näher erläutert werden.
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Für den elektrischen
Betrieb des Verbrauchers 4 ist eine Stromquelle 2 vorgesehen,
durch die die entsprechende Wechselspannung zur Verfügung gestellt
wird. Der Verbraucher 4 ist über den Versorgungsschaltkreis 3 mit
der Stromquelle 2 elektrisch gekoppelt. Um an der Stromquelle 2 auftretende Überspannungen
zeitlich begrenzt vom Verbraucher 4 fernzuhalten, sind
eine Sicherung 5 und zwei Varistoren 6 und 7 in
dem Versorgungsschaltkreis 3 vorgesehen, die zueinander
parallel geschaltet sind.
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Des
Weiteren ist zwischen den beiden Varistoren 6 und 7 ein
Schalter 11, der als Relais ausgebildet ist, eingebaut.
Die Ansteuerung des Schalters 11 erfolgt über den
Steuerungsschaltkreis 12, der durch eine Schnittstelle 41 und
dem Spannungsüberwachungsschaltkreis 13 aktivierbar
ist.
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Der
Steuerungs- und der Spannungsüberwachungsschaltkreis 12 bzw. 13 sind
jeweils über zwei
in dem Versorgungsschaltkreis 3 vorgesehene Anschlüsse 8 und 9 mit
der Stromquelle 2 verbunden und beziehen demnach unabhängig von
der Betriebsstellung des Schalters 11 Energie.
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Zunächst wird
der Aufbau und die Funktionsweise des Spannungsüberwachungs-Schaltkreises 13 erläutert:
Dem
Spannungsüberwachungsschaltkreis 13 sind zwei
Widerstände 61 und 62 vorgeschaltet,
die an einen Brückengleichrichter 14 angekoppelt
sind, der aus vier Dioden 16, 17, 18 und 19 besteht.
Durch den Brückengleichrichter 14 wird
der Wechselstrom von der Stromquelle 2 in einen Gleichstrom
umgewandelt. Dem Brückengleichrichter 14 in
Reihe nachgeschaltet ist ein Widerstand 26 und eine Zenerdiode 27,
durch die die Versorgungsspannung innerhalb des Spannungsüberwachungsschaltkreises 13 stabilisiert
bzw. begrenzt wird. Der an der Zenerdiode 27 abfallende
Strom wird einem Komparator 28 zugeführt. Der Spannungswert, der
an der Zenerdiode 27 anliegt, ist wesentlich kleiner bemessen
als der Strom der von der Stromquelle 2 zur Verfügung gestellt
wird; jedoch sind diese beiden Spannungswerte proportional zueinander.
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Durch
den Komparator 28 wird demnach der an der Zenerdiode 27 anfallende
Ist-Spannungswert gemessen.
Die beiden Widerstände 24 und 25,
die parallel zu der Zenerdiode 27 und dem Komparator 28 und
zwischen dem Brückengleichrichter 14 vorgeschaltet
sind, dienen ausschließlich
als Spannungsteiler zur Reduzierung der von der Stromquelle 2 zur Verfügung gestellten
Netzspannung. Mit den an dem Widerständen 24 und 25 abfallenden
Strom wird demnach der Komparator 28 versorgt.
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Dem
Komparator 28 nachgeschaltet ist der Betätigungsschaltkreis 31,
der aus einem in Reihe geschalteten Widerstand 32, einer
Zenerdiode 33 und einer Leuchtdiode 34 gebildet
wird. Im Komparator 28 wird ein Sollwert für die maximale
Netzspannung voreingestellt. Übersteigt
nunmehr die am Komparator 28 anliegende Ist-Netzspannung
den voreingestellten Soll-Wert, so wird der Betätigungsschaltkreis 31 durchgeschaltet
und die Leuchtdiode 34 emittiert Lichtwellen an einen Optokoppler 42. Folglich
bildet die Leuchtdiode 34 und der Optokoppler 42 die
Schnittstelle 41, durch die der Spannungsüberwachungsschaltkreis 13 mit
dem Steuerungsschaltkreis 12 für den Schalter 11 kommuniziert
bzw. diesen aktiviert.
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Nachfolgend
wird der Steuerungsschaltkreis 12 beschrieben:
Dem
Steuerungsschaltkreis 12 sind zwei Widerstände 63 und 64 vorgeschaltet,
die an einen Brückengleichrichter 15 angeschlossen
sind, der aus vier Dioden 20, 21, 22 und 23 besteht.
Folglich wird der Steuerungsschaltkreis 12 unmittelbar
von der Stromquelle 2 mit Energie gespeist. Parallel zu
dem Brückengleichrichter 15 ist
ein Kondensator 51 und dazu eine Zenerdiode 52 angeordnet.
Zu diesen parallel wird ein Einschaltkomparator 53 in den
Steuerungsschaltkreis 12 eingebaut. Der Einschaltkomparator 53 ist
sowohl mit dem Optokoppler 42 als auch mit dem Schalter 11 elektrisch
gekoppelt.
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Wenn
demnach der Optokoppler 42 durch die Leuchtdiode 34 aktiviert
wird, wird im Einschaltkomparator 53 ein Schaltsignal für den Schalter 11 erzeugt,
so dass dieser von seiner geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung überführt wird.
Somit ist der Verbraucher 4 von der Stromquelle 2 abgetrennt.
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Unabhängig von
der Position des Schalters 11 werden im Komparator 28 des
Spannungsüberwachungsschaltkreises 13 permanent
die anliegenden Ist-Netzwertspannungen
gemessen und mit der Soll-Netzwertspannung verglichen. Im Komparator 28 wird
eine bestimmte Zeit, beispielsweise eine Sekunde, vorgegeben.
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Wenn
innerhalb dieser Zeitspanne die Ist-Netzwertspannung die Soll-Netzwertspannung übersteigt,
bleibt der Einschaltkomparator 53 über die Aktivierung des Optokopplers 42 in
Betrieb und der Schalter 11 wird nicht geschlossen. Fällt die Ist-Neztwertspannung
unter den voreingestellten Soll-Wert des Komparators 28 nach
diesem Zeitintervall fließt
durch den Betätigungsschaltkreis 31 kein Strom,
so dass die Leuchtdiode 34 keine Lichtwellen emittiert.
Folglich wird auch der Optokoppler 42 nicht eingeschaltet,
so dass der Einschaltkomparator 53 den Schalter 11 aufgrund
des fehlenden Schaltsignales schließt.
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Der
Steuerungsschaltkreis 12 wird über einen dritten Anschluss 10,
in dem ein Widerstand 65 eingebaut ist, mit Strom versorgt,
wenn der Schalter 11 geschlossen ist. Dem Widerstand 65 sind
zwei Dioden 66 und 67 nachgeschaltet, die parallel
zu dem Brückengleichrichter 15 angeordnet
sind. Wenn demnach der Schalter 11 geschlossen ist, bezieht
der Steuerungsschaltkreis 53 seinen Strom über den
Anschluss 10, den Widerstand 65 und den Dioden 66 und 67.
Um zu gewährleisten,
dass der Schalter 11 zuverlässig durch den Einschaltkomparator 53 geöffnet wird,
ist der Kondensator 51 dem Einschaltkomparator 53 vorgeschaltet.
Nachdem nämlich
die Spannung an dem Kondensator 51 einen Mindestwert erreicht
hat, kann der Schalter 11 und damit auch der Netzausgang
durch den Einschaltkomparator 53 und die nachfolgende Transistorstufe
eingeschaltet werden. Aufgrund des höheren Strombedarfes nach dem
Einschalten durch den Spulenstrom des Schalters 11 wird
die Schaltersteuerung nun über den
Widerstand 65 und die beiden Dioden 66 und 67 versorgt.
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Durch
die Zenerdiode 52 wird die Versorgungsspannung des Steuerungsschaltkreises 12 im Überspannungsfalle
begrenzt.
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Die
Funktionsweise des Betätigungsschaltkreises 31 kann
derart beschrieben werden, dass der Widerstand 32 und die
Zenerdiode 33, die vor der Leuchtdiode 34 geschaltet
sind, einen Spannungsabfall bewirken, so dass Strom durch die Leuchtdiode 34 fließt, wenn
eine Spannung anliegt, die ausschließlich bei einer korrekten Funktionsweise
des Komparators 28 gewährleistet
ist. Dies ist notwendig, da der Komparator 28 und die Erzeugung
der internen Referenzspannung im Komparator 28 von einer ungesiebten
Betriebsspannung versorgt wird, denn vor dem Brückengleichrichter 14 ist
kein Kondensator vorgesehen. An der Zenerdiode 27 erfolgt
demnach bei jedem Durchlauf einer Halbwelle des anliegenden Gleichstroms
ein Nulldurchgang, durch den der Komparator 28 vollständig abgeschaltet
wird und erst zeitverzögert,
wenn wiederum eine Spannungserhöhung
eintritt, mit Strom versorgt wird.
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Dies
kann der 2 entnommen werden, in der mit
(3) die Spannungsverläufe
des Komparators 28 dargestellt sind. Die Kurve (1)
zeigt den Spannungsverlauf der Stromquelle 2. Die Kurve
(2) soll die Ist-Spannung der Stromquelle 2 in
Form eines gleichgerichteten Stromes darstellen, die durch den Brückengleichrichter 14 erzeugt
wird.
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Die
mit (4) bezeichnete Kurve bezieht sich auf einen gleichgerichteten
Spannungsverlauf, der einen am Komparator 28 fest eingestellten
Soll-Netzwert (5) übersteigt.
Sollte demnach ein Kurvenverlauf gemäß (4) anliegen, wird
der Komparator 28 in vorgeschriebener Art und Weise aktiviert
und der Schalter 11 geöffnet.
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In 3 ist
eine andersartige Variante der Schnittstelle 41' gezeigt. In
dem Betätigungsschaltkreis 31 ist
nunmehr ein Trafo 43 eingebaut, der ebenfalls im Steuerungsschaltkreis 12 integriert
ist. Aufgrund von magnetischen Veränderungen, die durch den Komparator 28 bei
dessen Aktivierung hervorgerufen werden, wird demnach der Einschaltkomparator 53 aktiviert.
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Die
visuell betriebene Schnittstelle 41 der 1 und
die magnetisch betriebene Schnittstelle 41' der 3 sind folglich
galvanisch getrennt. Es ist jedoch ohne Weiteres möglich, eine
galvanische Verbindung zwischen dem Spannungsüberwachungsschaltkreis 13 und
dem Steuerungsschaltkreis 12 vorzusehen.