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Die Erfindung betrifft eine Abschaltvorrichtung für eine Quelle von elektrischer Energie und eine Photovoltaikanordnung.
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Es gibt eine Vielzahl von Fällen, bei denen in einem Notfall eine elektrische Quelle elektrisch von einer Last wie z. B. einer Leitung getrennt werden soll. Dies geschieht regelmäßig durch das Umschalten eines elektronischen oder mechanischen Schalters. Dies ist insbesondere bei Photovoltaikanordnungen der Fall. Regelmäßig erfordert ein solches Umschalten aber eine mechanische Betätigung oder eine elektrische Ansteuerung. Es kann aber sein, dass speziell in solchen Notfällen überhaupt keine aktive Bereitstellung von elektrischer oder mechanischer Leistung mehr von außen möglich ist.
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Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Abschaltvorrichtung und eine Photovoltaikanordnung bereitzustellen, welche auch ohne jedwedes Signal von außen ein elektrisches Abschalten oder Trennen bewirkt.
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Bezogen auf eine Abschaltvorrichtung wird diese Aufgabe durch eine Abschaltvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Bezogen auf eine Photovoltaikanordnung wird diese Aufgabe durch eine Photovoltaikanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Steuerschaltanordnung vorgesehen sein kann, welche gerade bei Unterschreiten eines Pegelgrenzwerts mindestens einen Pol der Quelle von elektrischer Energie trennt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei einem Ausfall jedweder Steuerspannung auf jeden Fall eine solche Trennung stattfindet. Damit ist ein sicheres Trennen bzw. Abschalten gewährleistet.
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Die vorschlagsgemäße Abschaltvorrichtung ist für eine Quelle von elektrischer Energie. Bei der vorschlagsgemäßen Abschaltvorrichtung weist die Quelle mindestens zwei elektrische Quellpole zur Bereitstellung elektrischer Energie auf, wobei die Abschaltvorrichtung mindestens zwei elektrische Ausgangspole und eine elektrische Steuerschaltanordnung zum Anlegen einer externen Steuerspannung aufweist. Mit anderen Worten kann eine externe Steuerspannung an die elektrische Steuerschaltanordnung angelegt werden. Bevorzugt wird die elektrische Energie als Quellspannung zwischen den beiden Quellpolen bereitgestellt. Die Ausgangspole sind diejenigen Pole, an denen eine Last wie z. B. eine Leitung, ein Verbraucher oder ein Wechselrichter angeschlossen werden kann.
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Bei der vorschlagsgemäßen Abschaltvorrichtung ist die Steuerschaltanordnung dazu eingerichtet, bei Überschreiten eines Einschaltpegels durch die Steuerspannung die beiden Quellpole mit jeweils einem Ausgangspol elektrisch zu verbinden und bei Unterschreiten des Einschaltpegels durch die Steuerspannung mindestens einen Quellpol von demjenigen Ausgangspol elektrisch zu trennen, mit dem der Quellpol bei Überschreiten des Einschaltpegels elektrisch verbunden ist. Anders ausgedrückt wird bei Unterschreiten der Steuerspannung mindestens ein Quellpol von demjenigen Ausgangspol elektrisch getrennt, mit welchem er bei Überschreiten der Steuerspannung elektrisch verbunden wäre. Bei Überschreiten der Steuerspannung wird zwischen den Ausgangspolen also im Wesentlichen die Spannung zwischen den Quellpolen ausgegeben. Bei Unterschreiten der Steuerspannung liegt für mindestens einen der Ausgangspole eine elektrische Trennung von dem entsprechenden Quellpol vor.
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Bevorzugt ist, dass die Quelle zwei elektrische Quellpole aufweist. Ebenso ist es bevorzugt, dass die Abschaltvorrichtung zwei elektrische Ausgangspole aufweist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltanordnung einen Schaltsensor zum Anlegen der Steuerspannung zwischen Eingangspolen des Schaltsensors und zum Erzeugen eines ersten Pegels an einem Ausgangsknoten des Schaltsensors bei Überschreiten des Einschaltpegels und zum Erzeugen eines zweiten Pegels an dem Ausgangsknoten des Schaltsensors bei Unterschreiten des Einschaltpegels aufweist. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Pegel und dem zweiten Pegel um jeweils unterschiedliche Spannungspegel. Mit anderen Worten kann die Steuerspannung zwischen Eingangspolen des Schaltsensors angelegt werden. Insbesondere kann der Schaltsensor zwei Eingangspole aufweisen, sodass es sich bei der Steuerspannung speziell um die Spannung zwischen diesen Eingangspolen handelt. Der Schaltsensor kann auch mehr als einen Ausgangsknoten aufweisen, wofür untenstehend noch ein Beispiel genannt wird. Bevorzugt ist weiter, dass der Ausgangsknoten von den Eingangspolen des Schaltsensors galvanisch getrennt ist. Auf diese Weise können Teilschaltungen mit unterschiedlichen Spannungs- oder Leistungsbereichen elektrisch voneinander getrennt werden, sich aber dennoch wechselseitig z. B. durch Schaltvorgänge beeinflussen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltsensor einen Optokoppler umfasst. Es kann auch sein, dass der Schaltsensor ein Optokoppler ist. Ein solcher Optokoppler stellt eine besonders geeignete Vorrichtung zum Herstellen der galvanischen Trennung dar. Weiter ist es bevorzugt, dass ein weiterer Ausgangsknoten des Schaltsensors über einen ersten Vorwiderstand mit einem ersten Quellpol elektrisch verbunden ist und dass bei Überschreiten des Einschaltpegels der Ausgangsknoten des Schaltsensors über den weiteren Ausgangsknoten und den ersten Vorwiderstand mit dem ersten Quellpol elektrisch verbunden ist. Das Überschreiten des Einschaltpegels bezieht sich auf die zwischen den Eingangspolen anliegende Steuerspannung. Anders ausgedrückt führt ein Überschreiten des Einschaltpegels dazu, dass der Ausgangsknoten des Schaltsensors mit dem weiteren Ausgangsknoten des Schaltsensors elektrisch verbunden wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist vorgesehen, dass der Ausgangsknoten des Schaltsensors über einen Pull-down-Widerstand mit dem zweiten Quellpol elektrisch verbunden ist. Weiter ist bevorzugt, dass bei Unterschreiten des Einschaltpegels der Ausgangsknoten des Schaltsensors über den Pull-down-Widerstand auf das Potenzial des zweiten Quellpols gebracht wird. Das Unterschreiten des Einschaltpegels bezieht sich ebenso auf die zwischen den Eingangspolen anliegende Steuerspannung. Insbesondere kann es sein, dass bei Unterschreiten des Einschaltpegels der Ausgangsknoten des Schaltsensors von dem weiteren Ausgangsknoten des Schaltsensors elektrisch getrennt wird. Dann bestimmt die Verbindung mit dem zweiten Quellpol über den Pull-down-Widerstand das Potenzial an dem Ausgangsknoten des Schaltsensors.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist vorgesehen, dass die Eingangspole des Schaltsensors jeweils mit einer Signalleitung zum Übertragen der Steuerspannung und einer Masseleitung elektrisch verbunden sind. Die Steuerspannung liegt dann zwischen der Signalleitung und der Masseleitung an. Weiter ist es bevorzugt, dass ein zweiter Vorwiderstand zwischen der Signalleitung und einem Eingangspol des Schaltsensors angeordnet ist. Dieser zweite Vorwiderstand kann den Strom durch den Schaltsensor begrenzen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltanordnung einen von dem Schaltsensor angesteuerten ersten Trennschalter aufweist, welcher erste Trennschalter bei Überschreiten des Einschaltpegels durch die Steuerspannung von dem Schaltsensor eingeschaltet wird und einen Quellpol mit einem Ausgangspol elektrisch verbindet und welcher erste Trennschalter bei Unterschreiten des Einschaltpegels durch die Steuerspannung ausgeschaltet wird und den Quellpol von dem Ausgangspol elektrisch trennt. Bevorzugt ist hier, dass es sich bei dem Quellpol um den zweiten Quellpol und bei dem Ausgangspol um den zweiten Ausgangspol handelt. Weiter ist es bevorzugt, dass der Ausgangsknoten des Schaltsensors mit dem ersten Trennschalter zur Ansteuerung des ersten Trennschalters verbunden ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Trennschalter einen ersten MOSFET aufweist. Insbesondere kann es sich dabei um einen selbstsperrenden n-Kanal-MOSFET handeln. Weiter ist bevorzugt, dass ein Gate-Anschluss des ersten MOSFETs mit dem Ausgangsknoten des Schaltsensors elektrisch verbunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist vorgesehen, dass die Steuerschaltanordnung einen von dem Schaltsensor angesteuerten zweiten Trennschalter aufweist, welcher zweite Trennschalter bei Überschreiten des Einschaltpegels durch die Steuerspannung von dem Schaltsensor eingeschaltet wird und einen Quellpol mit einem Ausgangspol elektrisch verbindet und welcher zweite Trennschalter bei Unterschreiten des Einschaltpegels durch die Steuerspannung ausgeschaltet wird und den Quellpol von dem Ausgangspol elektrisch trennt. Bevorzugt ist hier, dass es sich bei dem Quellpol um den ersten Quellpol und bei dem Ausgangspol um den ersten Ausgangspol handelt. Weiter ist es bevorzugt, dass der Ausgangsknoten des Schaltsensors mit dem zweiten Trennschalter zur Ansteuerung des zweiten Trennschalters verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist vorgesehen, dass der zweite Trennschalter einen zweiten MOSFET aufweist, bei welchem es sich insbesondere um einen selbstsperrenden p-Kanal-MOSFET handeln kann. Bevorzugt ist weiter, dass ein Gate-Anschluss des zweiten MOSFETs mit dem Ausgangsknoten des Schaltsensors elektrisch verbunden ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltanordnung einen von dem Schaltsensor angesteuerten dritten Trennschalter aufweist, welcher dritte Trennschalter bei Überschreiten des Einschaltpegels durch die Steuerspannung von dem Schaltsensor ausgeschaltet wird und den ersten Quellpol von dem zweiten Quellpol elektrisch trennt und welcher dritte Trennschalter bei Unterschreiten des Einschaltpegels durch die Steuerspannung eingeschaltet wird und den ersten Quellpol mit dem zweiten Quellpol elektrisch verbindet. Das Überschreiten und das Unterschreiten des Einschaltpegels beziehen sich jeweils auf die zwischen den Eingangspolen anliegende Steuerspannung. Das elektrische Verbinden des ersten Quellpols mit dem zweiten Quellpol kann insbesondere über einen Verbrauchswiderstand erfolgen. Auf diese Weise wird von der Quelle weiterhin bereitgestellte elektrische Energie durch den Verbrauchswiderstand verbraucht und insoweit abgeführt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Trennschalter einen dritten MOSFET aufweist, bei dem es sich insbesondere um einen selbstleitenden n-Kanal-MOSFET handeln kann. Bevorzugt ist weiter, dass ein Gate-Anschluss des dritten MOSFETs mit dem Ausgangsknoten des Schaltsensors elektrisch verbunden ist. Ebenso ist es bevorzugt, dass der Verbrauchswiderstand mit dem dritten MOSFET in Reihe geschaltet ist.
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Grundsätzlich kann der Einschaltpegel - und damit die Schwellspannung - als Spannungswert beliebig hoch oder niedrig sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist vorgesehen, dass der Einschaltpegel weniger als die Hälfte der von der Quelle zwischen den Quellpolen bereitgestellten Spannung beträgt. Weiter bevorzugt beträgt der Einschaltpegel weniger als ein Drittel oder sogar weniger als ein Viertel der von der Quelle zwischen den Quellpolen bereitgestellten Spannung.
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Grundsätzlich kann es sich bei der Quelle um eine beliebige Art von Quelle von elektrischer Energie handeln. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist vorgesehen, dass die Quelle ein Photovoltaikmodul zum Bereitstellen von elektrischer Energie aus Sonnenlicht umfasst. Bevorzugt ist das Photovoltaikmodul auf einem Gebäudedach angeordnet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangspole an einen Wechselrichter zum Umwandeln in Netzspannung elektrisch angeschlossen sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Abschaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltanordnung eine Diode aufweist, welche elektrisch zwischen dem ersten Ausgangspol und dem zweiten Ausgangspol angeordnet ist.
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Die vorschlagsgemäße Photovoltaikanordnung weist eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen zum Bereitstellen von elektrischer Energie aus Sonnenlicht und eine Vielzahl von vorschlagsgemäßen Abschaltvorrichtungen auf.
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Die vorschlagsgemäße Photovoltaikanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Abschaltvorrichtung der Vielzahl von Abschaltvorrichtungen mit einem jeweiligen Photovoltaikmodul als Quelle elektrisch verbunden ist, dass die elektrischen Ausgangspole der Vielzahl von Abschaltvorrichtungen elektrisch in Reihe geschaltet sind und dass die Steuerspannung über eine gemeinsame Signalleitung und eine gemeinsame Masseleitung gleichermaßen an die Vielzahl von Abschaltvorrichtungen bereitgestellt wird.
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Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorschlagsgemäßen Abschaltvorrichtung entsprechen den Merkmalen, Vorteilen und Eigenschaften der vorschlagsgemäßen Photovoltaikanordnung und umgekehrt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der nur Ausführungsbeispiele wiedergebenden Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt
- 1 schematisch eine vorschlagsgemäßen Abschaltvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
- 2 schematisch eine vorschlagsgemäße Photovoltaikanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die in der 1 gezeigte Abschaltvorrichtung ist an die beiden Quellpole 2a, b einer hier als Photovoltaikmodul 25 ausgebildeten Quelle 1 von elektrischer Energie angeschlossen. Das Photovoltaikmodul 25 erzeugt eine Spannung von 20 Volt zwischen den Quellpolen 2a, b, wobei das Potenzial des Quellpols 2a oberhalb des Potenzials des Quellpols 2b liegt. Die Abschaltvorrichtung weist eine Steuerschaltanordnung 4 auf, welche ihrerseits einen als Optokoppler 8 ausgebildeten Schaltsensor 5 aufweist. Der Optokoppler 8 ist mit seinen Eingangspolen 6a, b und einem Vorwiderstand, welcher hier als zweiter Vorwiderstand 14 bezeichnet wird, zwischen einer Signalleitung 12 und einer Masseleitung 13 geschaltet.
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Im normalen Betriebszustand liegt zwischen der Signalleitung 12 und der Masseleitung 13 eine Spannung von etwas über 5 Volt an, sodass der Einschaltpegel von 5 Volt überschritten ist. Dadurch ist der Optokoppler 8 eingeschaltet. Das führt dazu, dass der Bipolartransistor im Optokoppler 8 leitet und folglich der Ausgangsknoten 7 des Optokopplers 8 mit dem weiteren Ausgangsknoten 9 des Optokopplers 8 durchgeschaltet ist, welcher weitere Ausgangsknoten 9 über den ersten Vorwiderstand 10 der Steuerschaltanordnung 4 mit dem ersten Quellpol 2a elektrisch verbunden ist. Ebenso ist der Ausgangsknoten 7 über den Pull-down-Widerstand 11 mit dem zweiten Quellpol 2b elektrisch verbunden.
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Der erste Vorwiderstand 10 und der Pull-down-Widerstand 11 sind dabei so dimensioniert, dass bei eingeschaltetem Optokoppler 8 der Spannungspegel am Ausgangsknoten 7 genau in der Mitte zwischen dem ersten Quellpol 2a und dem zweiten Quellpol 2b liegt und daher jeweils eine Spannungsdifferenz von 10 Volt besteht. Daher ist sowohl der erste Trennschaler 15, welcher durch einen ersten MOSFET 16 gebildet wird, als auch der zweite Trennschalter 18, welcher durch einen zweiten MOSFET 19 gebildet wird, eingeschaltet. Der erste MOSFET 16 und der zweite MOSFET 19 sind mit ihren jeweiligen Gate-Anschlüssen 17, 20 mit dem Ausgangsknoten 7 elektrisch verbunden.
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Durch den eingeschalteten Zustand des ersten Trennschalters 18 und des zweiten Trennschalters 19 ist der erste elektrische Ausgangspol 3a der Abschaltvorrichtung mit dem ersten Quellpol 2a elektrisch verbunden und der zweite elektrische Ausgangspol 3b der Abschaltvorrichtung mit dem zweiten Quellpol 2b elektrisch verbunden. Auf diese Weise steht also die von der Quelle 1 bereitgestellte Spannung an den Ausgangspolen 3a, b zur Verfügung. An die Ausgangspole 3a, b ist ein Wechselrichter 26 zum Wandeln der Gleichspannung an den Ausgangspolen 3a, b in eine Wechselspannung angeschlossen.
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Die Steuerschaltanordnung 4 weist ferner einen dritten Trennschalter 21 auf, welcher durch einen dritten MOSFET 23 gebildet wird, dessen Gate-Anschluss 24 ebenfalls elektrisch mit dem Ausgangsknoten 7 elektrisch verbunden ist. Der dritte MOSFET 23 ist mit einem Verbrauchswiderstand in Reihe zwischen dem ersten Quellpol 2a und dem zweiten Quellpol 2b geschaltet. Im eingeschalteten Zustand des Optokopplers 8 ist der dritte Trennschalter 21 ausgeschaltet und damit getrennt.
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Schließlich weist die Steuerschaltanordnung 4 noch eine Diode 29 auf, welche zwischen dem ersten Quellpol 2a und dem zweiten Quellpol 2b geschaltet ist. Durch die Polarität der von der Quelle 1 bereitgestellten Spannung sperrt die Diode 29.
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Wenn nun die Spannung an der Signalleitung 12 unter den Einschaltpegel von 5 Volt fällt, was entweder durch aktives Schalten der Signalleitung 12, durch einen Kurzschluss zwischen der Signalleitung 12 und der Masseleitung 13 oder etwa durch Ausfall der Spannungsquelle zum Treiben der Signalleitung 12 passieren kann, so schaltet der Optokoppler 8 ab. Der Ausgangsknoten 7 wird elektrisch von dem ersten Quellpol 2a getrennt und das Potenzial am Ausgangsknoten 7 durch den Pull-down-Widerstand 11 auf das Potenzial am zweiten Quellpol 2a gebracht.
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Das führt dazu, dass sowohl der erste MOSFET 16 als auch der zweite MOSFET 19 und damit der erste Trennschalter 15 und der zweite Trennschalter 16 abschalten. Die Ausgangspole 3a, b sind von den Quellpolen 2a, b elektrisch getrennt. Im Gegenzug wird der dritte MOSFET 23 und damit der dritte Trennschalter 21 eingeschaltet. Jedwede von der Quelle 1 erzeugte elektrische Energie wird auf diese Weise durch den nunmehr zwischen die Quellpole 2a, b geschalteten Verbrauchswiderstand 22 in Wärme umgewandelt.
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Die vorschlagsgemäße Photovoltaikanordnung der 2 weist zwei Photovoltaikmodule 25 auf. Jedes Photovoltaikmodul 25 ist als Quelle 1 mit seinen Quellpolen 2a, b mit einer Abschaltvorrichtung 26a, b elektrisch verbunden, welche Abschaltvorrichtungen 26a, b jeweils der Abschaltvorrichtung 26a, b der 1 entsprechen.
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Die Ausgangspole 3a, b der Abschaltvorrichtungen 26a, b sind elektrisch in Reihe geschaltet und insgesamt an einen Wechselrichter 26 angeschlossen. Eine gemeinsame Signalleitung 12a und eine gemeinsame Masseleitung 13a sind von einem gemeinsamen Signalgeber 28 an die Abschaltvorrichtungen 26a, b geführt und dienen jeweils als Signalleitung 12 und Masseleitung 13 für die Abschaltvorrichtungen 26a, b.
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Wenn die Spannung zwischen der gemeinsamen Signalleitung 12a und der gemeinsamen Masseleitung 13a, entweder durch aktives Schalten des Signalgebers 28, durch seinen Ausfall oder durch einen Kurzschluss, unter den Einschaltpegel fällt, so werden die Ausgangspole 3a, b von den Photovoltaikmodulen 25 elektrisch getrennt und von den Photovoltaikmodulen 25 weiterhin erzeugte elektrische Energie durch die Verbrauchswiderstände 22 abgeführt.
