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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Erdschlussüberwachung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine in einer Reihenklemme integrierte Erdschlussüberwachung.
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HINTERGRUND
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Durch Auftreten eines Erdschlusses, d. h. einer ungewollten (niederohmigen) elektrischen Verbindung zwischen Phasenleiter und Erdleiter oder Neutralleiter und Erdleiter kann ein elektrisches oder elektronisches Gerät in seiner Funktion beeinträchtigt oder beschädigt werden. Vorteilhaft sind daher Einrichtungen, die das Risiko eines Erdschlusses reduzieren bzw. einen (sich anbahnenden) Erdschluss zuverlässig erkennen und signalisieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt hierzu eine Reihenklemme mit integrierter Erdschlusserkennung zur Befestigung auf einer geerdeten Tragschiene bereit. Die Reihenklemme umfasst ein Isolierstoffgehäuse, einen im Isolierstoffgehäuse ausgebildeten ersten Potenzialanschluss zum Anschluss eines ersten Leiters, einen im Isolierstoffgehäuse ausgebildeten zweiten Potenzialanschluss zum Anschluss eines zweiten Leiters, einen im Isolierstoffgehäuse ausgebildeten dritten Potenzialanschluss zum Anschluss an die geerdete Tragschiene, wobei der dritte Potenzialschluss durch Befestigen der Reihenklemme auf der geerdeten Tragschiene an die geerdete Tragschiene anschließbar ist, und eine im Isolierstoffgehäuse ausgebildete Schaltung. Die Schaltung weist einen ersten Eingang, der mit dem ersten Potenzialanschluss verbunden ist, einen zweiten Eingang, der mit dem zweiten Potenzialanschluss verbunden ist, einen dritten Eingang, der mit dem dritten Potenzialanschluss verbunden ist, und eine Ausgangsbeschaltung auf, wobei die Schaltung dazu eingerichtet ist, einen Erdschluss des ersten Potenzialanschlusses über die Ausgangsbeschaltung zu signalisieren und wobei die Schaltung dazu eingerichtet ist, einen Erdschluss des zweiten Potenzialanschlusses über die Ausgangsbeschaltung zu signalisieren.
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In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff „Reihenklemme“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Modul zu verstehen, das eine oder mehrere Klemmstellen zur lösbaren elektrischen Verbindung mit einem Leiter bereitstellt, wobei das Modul mit mechanischen Verbindungsmitteln zum seriellen Verbinden (d. h. aneinander Anreihen) einer Vielzahl von Modulen versehen ist. Ferner ist unter dem Begriff „Tragschiene“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Profilschiene, d. h. eine längliche Vorrichtung mit einem im Wesentlichen konstantem Querschnitt zu verstehen, die mit einer Einrichtung zur Befestigung, bspw. zum Aufrasten der Module versehen ist (z. B. eine TS 35 Hutschiene).
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Des Weiteren ist unter dem Begriff „Isolierstoffgehäuse“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Einhausung (d. h. eine feste Ummantelung oder Umhüllung) aus einem Material zu verstehen, welches in der verwendeten Materialstärke und bei den Spannungen, für die die Reihenklemme bestimmt ist, als Isolator angesehen werden kann. Zudem ist unter dem Begriff „Potenzialanschluss“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein elektrischer Anschluss wie bspw. ein Klemmkontakt zu verstehen, durch den mit dem Klemmkontakt verbundene bzw. an dem Klemmkontakt festgeklemmte Leiter auf ein gemeinsames Potenzial gebracht werden können.
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Ferner ist unter dem Begriff „Schaltung“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Anordnung von miteinander (elektrisch) verbundenen elektrischen und insbesondere elektronischen Bauteilen zu verstehen. Des Weiteren sind unter den Begriffen „Eingang“ und „Ausgang“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere Anschlüsse oder Schnittstellen einer Schaltung zu verstehen, die zur Verbindung mit einer Energieversorgung oder (im Sinne einer Signalübertragung) zur Verbindung mit weiteren Schaltungen vorgesehen und eingerichtet sind. Zudem ist unter dem Begriff „Ausgangsbeschaltung“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine oder mehrere Schaltungen zu verstehen, deren Eingang oder Eingänge mit einem Ausgang oder Ausgängen einer Schaltung verbunden sind, d. h. basierend auf dem Potenzial oder den Potenzialen des Ausgangs bzw. der Ausgänge gesteuert werden.
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Vorzugsweise sind innerhalb des Isolierstoffgehäuses Leiter ausgebildet, die die Schaltung mit Kontaktelementen verbinden.
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Vorzugsweise sind die Kontaktelemente auf einer Platine ausgebildet und die Leiter erstrecken sich zwischen den Kontaktelementen.
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Vorzugsweise weist die Schaltung eine erste Komparatorschaltung auf, wobei die erste Komparatorschaltung eingerichtet ist, eine erste Spannung, die abgeleitet ist von einem ersten Potenzial am ersten Potenzialanschluss, mit einer dritten Spannung, die abgeleitet ist von einem dritten Potenzial am dritten Potenzialanschluss, zu vergleichen.
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Vorzugsweise weist die Schaltung eine zweite Komparatorschaltung auf, wobei die zweite Komparatorschaltung eingerichtet ist, eine zweite Spannung, die abgeleitet ist von einem zweiten Potenzial am zweiten Potenzialanschluss, mit der dritten Spannung, die abgeleitet ist von dem dritten Potenzial am dritten Potenzialanschluss, zu vergleichen.
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Vorzugsweise spannen die erste Spannung und die zweite Spannung ein Spannungsfenster auf und ist die Schaltung dazu eingerichtet, einen Erdschluss des ersten oder zweiten Potenzialanschlusses über die Ausgangsbeschaltung zu signalisieren, wenn die dritte Spannung außerhalb des Spannungsfensters liegt.
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Dabei ist unter dem Begriff „Spannungsfenster“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Spannungsbereich zu verstehen.
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Vorzugsweise weist die Schaltung eine Spannungsbegrenzungsschaltung auf, wobei ein erster Komparatoreingang der ersten Komparatorschaltung an dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang angeschlossen ist und ein zweiter Komparatoreingang der ersten Komparatorschaltung an der Spannungsbegrenzungsschaltung und dem dritten Eingang angeschlossen ist, und ein dritter Komparatoreingang der zweiten Komparatorschaltung an dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang angeschlossen ist und ein vierter Komparatoreingang der zweiten Komparatorschaltung an der Spannungsbegrenzungsschaltung und dem dritten Eingang angeschlossen ist.
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Vorzugsweise ist der erste Komparatoreingang der ersten Komparatorschaltung über zumindest einen ersten einstellbaren Widerstand an den ersten Eingang oder den zweiten Eingang angeschlossen und/oder der dritte Komparatoreingang der zweiten Komparatorschaltung über zumindest einen zweiten einstellbaren Widerstand an dem ersten Eingang oder dem zweiten Eingang angeschlossen.
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Dabei ist unter dem Begriff „einstellbarer Widerstand“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Bauteil zu verstehen, dessen elektrischer Widerstand manuell oder elektronisch einstellbar ist.
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Vorzugsweise umfasst die Spannungsbegrenzungsschaltung zwei antiseriell geschaltete Z-Dioden.
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Vorzugsweise umfasst die Ausgangsbeschaltung ein optisches Element, welches zumindest teilweise innerhalb des Isolierstoffgehäuses angeordnet ist.
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Dabei ist unter dem Begriff „optisches Element“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Bauteil zu verstehen, das dazu eingerichtet ist, optische Signale auszusenden.
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Vorzugsweise umfasst die Ausgangsbeschaltung eine Kommunikationsschnittstelle zum Versenden einer Fehlernachricht an einen Netzwerkteilnehmer.
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Dabei ist unter dem Begriff „Kommunikationsschnittstelle“ wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Anschluss für einen oder mehrere elektrische Leiter zu verstehen, deren Potenziale gemäß einem Kommunikationsprotokoll und zu übertragenden Daten variiert werden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Reihenklemme zur Befestigung auf einer geerdeten Tragschiene; und
- 2 eine schematische Ansicht einer in die Reihenklemme integrierbaren Schaltung zur Detektion von Erdschlüssen.
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Dabei sind in den Zeichnungen gleiche oder analoge Elemente durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer (scheibenförmigen) Reihenklemme 10, die auf einer geerdeten Tragschiene 12 befestigt ist. Wie in 1 gezeigt, kann die Tragschiene 12 als Hutschiene ausgebildet sein, die zur Befestigung der Reihenklemme 10 in eine T-förmige Aussparung des Isolierstoffgehäuses der Reihenklemme 10 eingreift. Die T-förmige Aussparung des Isolierstoffgehäuses erlaubt es, die Reihenklemme 10 auf der Tragschiene 12 in Längsrichtung zu positionieren. Ferner kann durch Vorsehen einer Klemmung zwischen der Reihenklemme 10 und der Tragschiene 12 neben der formschlüssigen Verbindung in Querrichtung, eine kraftschlüssige Verbindung in Längsrichtung erzielt werden, die die Verschieblichkeit der Reihenklemme 10 entlang der Tragschiene 12 unterbindet.
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Zudem kann einer oder können beide der von der Tragschiene 12 hintergriffenen Vorsprünge des Isolierstoffgehäuses flexibel und/oder relativ zur Mitte der Reihenklemme 10 (bspw. in vertikaler Richtung in 1) verschiebbar ausgebildet sein, so dass die Reihenklemme 10 auf die Tragschiene 12 (in vertikaler Richtung in 1) aufgerastet werden kann. Insbesondere können die hintergriffenen Vorsprünge widerhakenartig ausgebildet sein. Dadurch werden die Enden der Tragschiene 12 beim Aufrasten (horizontal) nach außen gedrückt und schnappen schließlich hinter die einrastenden Tragschienenenden, wodurch die Reihenklemme 10 auf der Tragschiene 12 in Querrichtung formschlüssig befestigt und in Längsrichtung positioniert werden kann.
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Wie in 1 schematisch gezeigt, sind in dem Isolierstoffgehäuse mehrere Potenzialanschlüsse 14-18 ausgebildet, die bspw. mittels Federklemmen (z. B. Käfigklemmen) realisiert sein können. Die Potenzialanschlüsse 14-18 können, wie in 1 gezeigt, durch Aussparungen in einer Seite des Isolierstoffgehäuses zugänglich sein, wobei die Aussparungen grundsätzlich in jedwedem, nach dem Anreihen weiterer Reihenklemmen 10 zugänglichen Bereich des Isolierstoffgehäuses ausgebildet sein können, wie bspw. in den zur Längsrichtung der Tragschiene 12 parallelen Seiten des Isolierstoffgehäuses.
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Insbesondere können die Aussparungen in einer der Seiten des Isolierstoffgehäuses ausgebildet sein, die der Tragschiene 12 abgewandt ist, wie bspw. die der Tragschiene 12 gegenüberliegenden Seite. Ferner können neben bzw. in räumlicher Nähe zu den Aussparungen Markierungen vorgesehen sein, die angeben, mit welchem Potenzial der jeweilige Potenzialanschluss 14-18 zu verbinden ist. Bspw. können Markierungen vorgesehen sein, die angeben, welcher Potenzialanschluss 14-18 an einen Phasenleiter und welcher Potenzialanschluss 14-18 an einen Neutralleiter anzuschließen ist.
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Die Potenzialanschlüsse 14-18 sind zum Anschluss verschiedenartiger Leitern, wie bspw. Drahtleitungen, Schienen, Brückungselementen (zum Verbinden von Potenzialanschlüssen aneinandergereihter Reihenklemmen 10), etc. ausgebildet. Insbesondere ist ein im Isolierstoffgehäuse ausgebildeter erster Potenzialanschluss 14 zum Anschluss einer ersten Drahtleitung und ein im Isolierstoffgehäuse ausgebildeter zweiter Potenzialanschluss 16 zum Anschluss einer zweiten Drahtleitung ausgebildet, wobei die erste Drahtleitung bspw. einen Phasenleiter und die zweite Drahtleitung einen Neutralleiter einer 24V Stromversorgung darstellt.
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Des Weiteren ist, wie in 2 gezeigt, der im Isolierstoffgehäuse ausgebildete dritte Potenzialanschluss 18 zum Anschluss an die geerdete Tragschiene 12 ausgebildet. Insbesondere ist der dritte Potenzialschluss 18 so ausgebildet, dass er beim Befestigen (bzw. beim Aufrasten) der Reihenklemme 10 auf die geerdete Tragschiene 12 automatisch an die geerdete Tragschiene 12 angeschlossen wird, bspw. mittels eines Federkontakts.
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In dem Isolierstoffgehäuse ist ferner eine Platine mit einer auf der Platine ausgebildeten Schaltung 20 zur Erdschlusserkennung angeordnet. Die Schaltung 20 zur Erdschlusserkennung umfasst einen ersten Eingang 22, der mit dem ersten Potenzialanschluss 14 verbunden ist, einen zweiten Eingang 24, der mit dem zweiten Potenzialanschluss 16 verbunden ist und einen dritten Eingang 26, der mit dem dritten Potenzialanschluss 18 verbunden ist. Die Platine kann Leiterbahnen aufweisen, die elektrische oder elektronische Bauteile mit Kontaktpads verbinden, an denen mit den Potenzialanschlüssen 14-18 verbundene Leiter (z. B. Drahtleitungen) angelötet sind.
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Ferner umfasst die Schaltung 20 zur Erdschlusserkennung eine Ausgangsbeschaltung 28 über die ein Erdschluss des ersten Potenzialanschlusses 14 oder ein Erdschluss des zweiten Potenzialanschlusses 16 signalisiert werden kann. Dazu ist die Ausgangsbeschaltung 28 an eine erste Komparatorschaltung 30 und an eine zweite Komparatorschaltung 32 angeschlossen.
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Die erste Komparatorschaltung 30 vergleicht eine erste Eingangsspannung (d. h. eine an einem ersten Eingang der ersten Komparatorschaltung 30 anliegende Spannung), die von einem ersten Potenzial am ersten Potenzialanschluss 14 abgeleitet ist, mit einer an einem zweiten Eingang der ersten Komparatorschaltung 30 anliegenden dritten Eingangsspannung, die von einem dritten Potenzial am dritten Potenzialanschluss 18 abgeleitet ist. Analog dazu vergleicht die zweite Komparatorschaltung 32 eine zweite Eingangsspannung, die von einem zweiten Potenzial am zweiten Potenzialanschluss 16 abgeleitet ist, mit der dritten Eingangsspannung, die von dem dritten Potenzial am dritten Potenzialanschluss 18 abgeleitet ist.
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Durch einen Erdschluss nähert sich das erste Potenzial bzw. das zweite Potenzial dem dritten Potenzial an. In Folge dessen verschiebt sich die erste Eingangsspannung der ersten Komparatorschaltung 30 bzw. die zweite Eingangsspannung der zweiten Komparatorschaltung 32 in Richtung der dritten Eingangsspannung. Ist die Änderung der ersten Eingangsspannung oder der zweiten Eingangsspannung größer als der ursprüngliche Abstand zur dritten Eingangsspannung wird das Ausgangssignal der jeweiligen Komparatorschaltung 30 bzw. 32 invertiert und der Erdschluss dadurch detektiert.
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Das invertierte Ausgangssignal der ersten Komparatorschaltung 30 bzw. der zweiten Komparatorschaltung 32 kann von der Ausgangsbeschaltung 28 als optisches Signal (bspw. mittels einer oder zweier lichtemittierender Dioden, LEDs) ausgegeben werden. Bspw. kann eine lichtemittierende Diode mittels eines ODER-Gatters mit der ersten Komparatorschaltung 30 und der zweiten Komparatorschaltung 32 verbunden sein, so dass die lichtemittierende Diode aufleuchtet (oder erlischt), wenn ein Erdschluss gegen Phasenleiter oder Neutralleiter vorliegt. Ferner kann der Erdschluss (bzw. das Vorhandensein eines Erdschlusses) über die Kommunikationsschnittstelle 34 von einer übergeordneten Überwachungseinheit abgefragt oder signalisiert werden.
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Wie in 2 gezeigt, ist die erste Spannung vom Potenzial am ersten Potenzialanschluss 14 und einem Potenzial an einem ersten Leiterknoten 36 abgeleitet, welches von dem Potenzial am ersten Potenzialanschluss 14 und dem Potenzial am zweiten Potenzialanschluss 16 abgeleitet ist. Analog ist die zweite Spannung von dem Potenzial am zweiten Potenzialanschluss 16 und ebenfalls von dem Potenzial am ersten Leiterknoten 36 abgeleitet. Die erste Spannung und die zweite Spannung spannen somit ein Spannungsfenster auf, welches (bspw. mittig) in einem Bereich liegt, der durch die am ersten Potenzialanschluss 14 anliegende Spannung und die am zweiten Potenzialanschluss 16 anliegende Spannung begrenzt ist.
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Die dritte Spannung wird von einer Spannungsbegrenzungsschaltung 38 begrenzt, die an dem ersten Leiterknoten 36 angeschlossen ist. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 38 ist dazu eingerichtet, die dritte Spannung innerhalb eines vorbestimmten Spannungsfensters zu halten, indem die Spannungsbegrenzungsschaltung 38 eine elektrisch leitende (niederohmige) Verbindung zum ersten Leiterknoten 36 zulässt bzw. herstellt, wenn die dritte Spannung außerhalb des Spannungsfensters ist. Ferner ist der erste Leiterknoten 36 über einen Widerstand 40 am dritten Potenzialanschluss 18 angeschlossen, wodurch erreicht wird, dass eine Abweichung zwischen dem Erdpotenzial und dem Potenzial, welches vom Potenzial am ersten Potenzialanschluss 14 und vom Potenzial am zweiten Potenzialanschluss 16 abgeleitet ist, durch Ausgleichsströme ausgeglichen wird.
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Die in 2 schematisch gezeigte Schaltung 20 zur Detektion von Erdschlüssen kann ferner bspw. in einem 24V-Netzwerk verwendet werden, wobei am ersten Leiterknoten 36 eine Spannung von +12V anliegt, die, wie in 2 gezeigt, bspw. durch einen Spannungsteiler erzeugt werden kann, der mit dem ersten Potenzialanschluss 14, an dem +24V anliegen, und mit dem zweiten Potenzialanschluss 16, an dem GND anliegt, verbunden ist. Ferner versteht es sich, dass die Schaltung 20 auch zur Detektion von Erdschlüssen bei anderen Spannungen als in 24V-Netzwerken eingesetzt werden kann.
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Neben dem ersten Leiterknoten 36 kann die Schaltung 20 auch einen zweiten Leiterknoten umfassen, der über die Spannungsbegrenzungsschaltung 38, welche bspw. zwei anti-seriell verschaltete Z-Dioden umfasst, an den ersten Leiterknoten 36 und über einen Widerstand an den dritten Potenzialanschluss 18 angeschlossen ist.
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Ein erster Eingang des Spannungskomparators der ersten Komparatorschaltung 30 kann ferner über einen Widerstand an den ersten Potenzialanschluss 14 und über einen Widerstand an den ersten Leiterknoten 36 angeschlossen sein. Des Weiteren kann ein zweiter Eingang des Spannungskomparators der ersten Komparatorschaltung 30 über einen Widerstand an den zweiten Leiterknoten angeschlossen sein. Analog dazu kann ein erster Eingang des Spannungskomparators der zweiten Komparatorschaltung 32 über einen Widerstand an den zweiten Potenzialanschluss 16 und über einen Widerstand an den ersten Leiterknoten 36 angeschlossen sein. Ferner kann ein zweiter Eingang des Spannungskomparators der zweiten Komparatorschaltung 32 über einen Widerstand an den zweiten Leiterknoten angeschlossen sein. Durch Anpassen der Widerstände bzw. durch Ausbilden eines oder mehrerer der Widerstände als einstellbare Widerstände (bspw. als Potenziometer) kann die Empfindlichkeit der Erdschlusserkennung an die zu erkennenden Erdschlüsse angepasst werden, so dass bspw. auch sich anbahnende Erdschlüsse oder relativ hochohmige Erdschlüsse erkannt werden können.
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Tritt kein Erdschluss auf, liegen im Falle eines 24V-Netzwerks am ersten Eingang der ersten Komparatorschaltung 30 18V, am ersten Eingang der zweiten Komparatorschaltung 32 6V und an den zweiten Eingängen 12V an. Bei Auftreten eines Erdschlusses liegen am ersten Potenzialanschluss 14 bzw. am zweiten Potenzialanschluss 16 12V an. Dadurch verschiebt sich die Spannung am ersten Eingang der ersten Komparatorschaltung 30 auf unter 12V bzw. die Spannung am ersten Eingang der zweiten Komparatorschaltung 32 auf über 12V, wodurch das Ausgangssignal des jeweiligen Spannungskomparators invertiert wird. Durch die Spannungsbegrenzungsschaltung 38 wird ferner die am zweiten Leiterknoten anliegende Spannung auf den Bereich zwischen 4V und 20V begrenzt, wodurch die Spannungskomparatoren vor Überspannungen geschützt werden.
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An den Ausgängen der Spannungskomparatoren können Halbleiterschalter angeschlossen sein, die durch das invertierte Ausgangssignal des jeweiligen Spannungskomparators geschlossen werden. Die geschlossenen Halbleiterschalter können in Folge eine Aktivierung der entsprechenden lichtemittierenden Diode und dadurch zu einer optischen Anzeige des Erdschlusses bewirken. Ferner versteht es sich, dass anstatt separater lichtemittierender Dioden auch eine lichtemittierende Diode vorgesehen sein kann, die bspw. mittels eines ODER-Gatters an die Ausgänge der Spannungskomparatoren angeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Reihenklemme
- 12
- Tragschiene
- 14
- Potenzialanschluss
- 16
- Potenzialanschluss
- 18
- Potenzialanschluss
- 20
- Schaltung
- 22
- Eingang
- 24
- Eingang
- 26
- Eingang
- 28
- Ausgangsbeschaltung
- 30
- Komparatorschaltung
- 32
- Komparatorschaltung
- 34
- Kommunikationsschnittstelle
- 36
- Leiterknoten
- 38
- Spannungsbegrenzungsschaltung
- 40
- Widerstand
