DE1538553C - Elektrischer Verstarker, insbesondere fur Meß und Registrierzwecke mit einer Schutzisolierung - Google Patents

Description

Elektrisch betriebene Verstärkereinrichtungen, insbesondere für Meß- und Registrierzwecke, sind bekanntlich bei Netzanschluß derart aufzubauen, daß die mit ihnen umgehenden Personen gegen das Übertreten hoher elektrischer Spannungen geschützt sind. Dies ist vor allem auch bei den zur medizinischen Diagnostik gebräuchlichen Geräten zum Registrieren biologischer und physiologischer Größen, z. B. der Herzaktionsspannungen und der Hirnströme, gefordert, da dann der zu untersuchende Patient unmittelbar in den Meßstromkreis eingeschaltet ist.

Um dieser durch bestehende Vorschriften erhärteten Forderung zu genügen, können im wesentlichen zwei Wege beschritten werden. Am bekanntesten ist die gemeinsame Erdung der berührbaren metallischen Teile, insbesondere einschließlich des Gerätegehäuses, zum Zwecke des Berührungsspannungsschutzes (Schutzerdung) bei Netzanschluß. Durch die Schutzerde werden Fehlerströme, die durch irgendwelche Isolationsmängel im Netzanschlußgerät entstehen, zur Erde abgeleitet, wozu im allgemeinen der Schutzleiter des Netzanschlußkabels dient. Derartige Geräte werden als unter die VDE-Schutzklasse I fallend bezeichnet.

Einen zuverlässigeren Schutz als die Schutzerde ergibt die als Schutzisolation (VDE-Schutzklasse II) bezeichnete Maßnahme, deren wesentliches Kennzeichen eine bis zu hohen Spannungen, z. B. bis zu 4000 Volt, geprüfte verstärkte Isolierung zwischen dem Netzteil oder der Netzleitung und dem Anwendungsteil des Gerätes ist. Eine Schutzerdung darf dann nicht angewandt werden, weil sonst die Gefahr bestünde, daß über das geerdete Gehäuse einerseits, über ein in der Nähe stehendes anderes Gerät mit Isolationsschäden andererseits und schließlich über eine zufällig mit beiden Geräten in Berührung kommende Person ein Fehlerstromkreis von der N^tzleitung zur Erde geschlossen wird.

Die Verhältnisse werden aber schwieriger, wenn die zur Verstärkung sehr schwacher Spannungen oder Ströme, z. B. der im Millivoltbereich liegenden biologischen Aktionsspannungen, dienenden Verstärker unbedingt gegen elektrische Störeinflüsse geschützt oder abgeschirmt sein müssen. Die gebräuchlichste Abhilfemaßnahme ist die Betriebserdung, durch die der. Referenzpunkt des Verstärkers (Verstärker-Null) und der Referenzpunkt der Signalquelle zur Abschirmung gegen kapazitive Spannungseinbrüche über das metallene Gehäuse mit einer Erdleitung verbunden ist. Solange die Signalquelle nur an einen einzigen Verstärker angeschlossen ist, genügt diese Abschirmmaßnahme im allgemeinen. Das ändert sich jedoch mit dem Anschluß der Signalquelle an mehrere verschiedene Verstärkergeräte oder Verstärkerkanäle, wenn diese außer durch die gemeinsame Betriebserde noch über einen anderen Weg untereinander leitend verbunden sind. Gerade bei der Elektrokardiographie und Elektroencephalographie ist dies aber häufig der Fall. Zwangläufig führt aber der Aufbau der Geräte nach den Vorschriften der VDE-Schutzklasse I zu einer solchen zweiten Verbindung, die durch den im Netzkabel verlegten Schutzleiter für die Geräte und durch den Nulleiter des Stromnetzes hergestellt wird. Es liegt dann nämlich eine geschlossene Stromschleife vor, in der durch die allgegenwärtigen magnetischen Wechselfelder, insbesondere des Netzwechselstromes, eine elektrische Wechselspannung induziert wird, die sich als Netzbrumm dem zu verstärkenden Signal überlagert und dieses an Stärke oft übertreffen kann.

Die für die VDE-Schutzklasse I kennzeichnenden Schutzleiter geben aber außer zur Entstehung solcher induktiver Störspannungen auch noch Anlaß zur Ausbildung von ohm'schen Störspannungen. Der Nullleiter des Stromnetzes liegt nämlich im allgemeinen nicht absolut auf Spannungsnull, sondern es treten in ihm Nulleiterspannungen von einigen bis zum Beispiel 10 Volt auf, die über die Schutzleiter der Geräte und über die Meßschaltung zum niedrigsten Spannungspotentialpunkt, Jer durch die Meßerde oder durch die Betriebserde bestimmt ist. einen Spannungsabfall entstehen lassen, wodurch die Knotenpunkte der Zusammenschaltung rein ohmisch verschiedene Potentiale annehmen können, die sich dann in den Signalfluß unmittelbar oder als Spannungsdifferenz einblenden.

Da bei Anwendung einer Schutzisolation nach den Vorschriften der Schutzklasse II ein Schutzleiter nicht angeschlossen werden darf, können dann solche in-, duktiven ohm'schen Störspannungen nicht auftreten. Kapazitive Ableitströme, die noch durch die aus meßtechnischen Gründen erforderliche Verbindung der Gehäuse mit dem Null der Signalquelle über die neutrale Leitung der Meßstellenkabel entstehen könnten, sind meist zu vernachlässigen, insbesondere beim Aufbau als Differenzverstärker.

Bei dem Aufbau der Geräte nach der Schutzklasse I, also bei Anwendung eines Schutzleiters, bietet sich zur Vermeidung der induktiven und ohm'schen Störspannungen noch der Weg, Verstärkernull und Gehäusenull zu trennen, indem nur die Gerätegehäuse über den Schutzleiter des Netzkabels mit dem Nulleiter des Stromnetzes verbunden sind, die neutrale .Leitung des Meßstellenkabels.oder die Betriebserde gegen das Gehäuse jedoch gut isoliert aus dem Gerät herausgeführt sind. Die sonst sich ergebenden leitenden Maschen sind dann innerhalb der einzelnen Geräte aufgeschnitten. Die Abschirmfunktion des Gehäuses ist allerdings dabei aufgegeben, weil es nun erzwungenermaßen die Nulleiterwechselspannung führt und damit kapazitive Störspannungen entstehen. Empfindliche Leitungen und ganze Schaltungsgruppen erhalten daher noch einen inneren, vom Gehäuse isolierten, mit Verstärkernull verbundenen zweiten Schirm, und es ist außerdem der Netztransformator mit einer mit dem Schutzleiter verbundenen Schirmwicklung (Schutzwicklung) zwisehen Primär- und Sekundärseite auszustatten. Die Schutzwirkung des Schutzleiters wird dann auch zwischen dem Netzteil und dem Anwendungsteil, der nur mit Schwachstrom betrieben wird, .gewährleistet. Vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabe, die Verstärker so auszubilden, daß ohne besonderen technischen Aufwand den beschriebenen Sicherheitsund meßtechnischen Belangen in jedem Anwendungsfalle genügt werden kann. Insbesondere wurde davon ausgegangen, daß es aus Sicherheitstechnischen Gründen wünschenswert ist, die fraglichen Verstärker grundsätzlich schutzisoliert, also gemäß Schutzklasse II auszubilden. Dann ergibt sich aber das Problem, ob durch besondere Maßnahmen die als lästig empfundene und zeitraubende Verlegung einer bei Aufstellung des Gerätes dann benötigten zusätzlichen Betriebserde entbehrlich werden kann. Der erforderliche Zeitaufwand kann z. B. bei der Benutzung eines Elektrokardiographen in dringenden Fäl-

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len sehr ins Gewicht fallen. Die Erfindung löst die auf hohe Spannungen, z. B. auf 4000 Volt, geprüfte Schwierigkeiten in überraschender Weise einmal da- Schicht 2 aus Isoliermaterial das Netzteil 16. Durch durch, daß die Verstärker im wesentlichen sowohl ihre mechanisch robuste Struktur und geometrische schutzisoliert, also nach Schutzklasse II, als auch ge- Abmessung verbürgt diese Schutzisolierung, daß kein eignet für den Schutzleiterbetrieb, also nach Schutz- 5 elektrisch leitender Kontakt zwischen den Netzadern, klasse I ausgebildet werden, indem neben einer dem Gerätegehäuse oder den anderen darin unterge-Schutzisolierung zwischen dem Netzteil und dem An- brachten Organen entstehen kann,
wendungsteil noch eine Steckbuchse für den An- Vom eigentlichen Verstärker ist im wesentlichen Schluß des Gerätes mittels eines Schutzleiterkabels nur eine Röhre 11, z. B. der Eingangsstufe gezeigt, an das Stromnetz, des weiteren eine solche Schal- io Ihre Steuerelektrode steht durch die Leitung 14 mit tungsauslegung, daß der Nulleiter über das Gehäuse einem Meßstellenanschluß 14 a in Verbindung, wähan eine Betriebserde angeschlossen werden kann, und rend die Kathode an den Nulleiter 13 des Verstärschließlich ein Umschalter zum Wechsel der Art des kers angeschlossen ist, mit dem auch die neutrale Berührungsschutzes vorgesehen sind, und indem für Meßstellenleitung 13 a Verbindung hat. Für Abdie Erfindung kennzeichnend dieser Umschalter als 15 schirm- und Entstörzwecke ist eine Betriebserde er-Schutzklassenumschalter derart in das Gerät einge- forderlich, in die üblicherweise auch das Gerätegebaut ist, daß seine Betätigung einen Wechsel von der häuse 1 einbezogen ist. Sie wird dargestellt, indem durch Anschluß des Nulleiters der Schaltung und der Nulleiter 13 unmittelbar oder — wie hier zur des Gehäuses an den Schutzleiter des Netzkabels ge- Verdeutlichung der an sich verschiedenen Aufgaben kennzeichneten Betriebsart (VDE-Schutzklasse I) zu 20 des Nulleiters und der Betriebserde als Darstellung der durch volle Wirksamkeit der Schutzisolation ge- gewählt wurde — über die Leitung 12 mit dem Ge- ~N kennzeichneten Betriebsart (VDE-Schutzklasse II) häuse 1 und dieses dann über einen gestrichelt ge- oder umgekehrt hervorruft, und zwischen dem zeichneten Leiter 12 α mit einem in der Erde verleg-Schutzleiter-Kontaktstift der Netzkabelsteckbuchse ten Leiter, hier der Wasserleitung 12 b verbunden ist. und dem an das Gerätegehäuse angeschlossenen 25 Gemäß der Lehre der Erfindung soll nun die VerNulleiter der Verstärkerschaltung ein Hilfsleiter ver- legung des Erdleiters 12 a entbehrlich und dieser legt ist, der die Kontaktstrecke des Schutzklassenum- durch den Schutzleiter des Netzkabels ersetzt werden, schalters enthält und der den Mantel der an dieser Zu diesem Ziele wird ein zwischen dem Steckerstift Stelle unterbrochenen Schutzisolation mit der Kon- Id für den Schutzleiter 7 a und dem Gehäusekontaktstrecke durchdringt, so daß im geöffneten Zu- 30 takt 9 verlegter, einen Einpolschalter 8 α enthaltender stand des Schalterkontaktes die Luftstrecke zwischen Hilfsleiter 7b, Ic vorgesehen. Außerdem erhalten dem netzseitigen Schalterpol und dem beweglichen diese Teile und der Schutzisolationsmangel 2 eine Kontakt einen funktionellen Teil der Schutzisolation derartige gegenseitige Lage, daß der Hilfsleiter Ib, Tc bildet. mit dem Schalter 8 α den Schutzisolationsmangel 2 Eine Umschaltmöglichkeit zwischen zwei Beruh- 35 durchdringt. Letzterer ist an dieser Stelle unterrungsschutzmaßnahmen bei ortsveränderlichen elek- brachen, so daß im geöffneten Zustand des Schalters trischen Anlagen und Geräten ist bereits bekannt 8 α die Luftstrecke zwischen seinem beweglichen und (deutsche Auslegeschrift 1 072 715), wobei es sich um dem festen, steckerseitigen Kontakt einen funktioden Wechsel zwischen einer Gerätenullung und einer nellen Teil der Schutzisolationsfläche 2 bilden kann. Fehlerstromschutzschaltung handelte. Eine Schutz- 40 Sie muß mindestens eine Abmessung von 8 mm beisolation war in diesem Zusammenhange nicht er- sitzen, um den erforderlichen Isolationswiderstand wähnt. Deshalb war auch die örtliche Anordnung bieten zu können. Ist der Einpolschalter 8 a ge- ^ des Umschalters völlig unkritisch, und die Kontakt- schlossen, dann liegt ein Gerät nach Schutzklasse I J strecke des Umschalters brauchte nicht einen funk- vor, während die besondere.Eigenart der Geräte nach tionellen Teil der Schutzisolation zu bilden. Sie er- 45 Schutzklasse II aufgehoben ist, weil der Schutzisolaforderte deshalb keine Überlegungen, wie eine Schutz- tionsmangel 2 dann am Schalter 8 a leitend durchisolation erhalten bleiben kann, wenn noch ein Um- brachen ist. Ist dagegen der Schalter 8 α geöffnet, schalter vorgesehen wird. dann hat das Gerät alle für die Schutzklasse II kenn-Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens werden zeichnenden Merkmale. Selbstverständlich müssen drei Figuren herangezogen. Die F i g. 1 zeigt sehe- 50 dann aber auch alle benachbarten Teile des Gerätematisch im Schnitt ein Verstärkergerät unter alleini- chassis einen genügenden Abstand vom heißen Pol ger Hervorhebung der für das Verständnis der Er- des Schalters haben.

findung wesentlichen Merkmale und Organe in einer Die gesamte Umschaltvorrichtung kann in einem möglichen Ausführungsform. Die Verstärkerorgane einzigen Einbauelement, möglichst in Einlochbefestisollen innerhalb eines metallischen Gehäuses oder 55 gung zusammengefaßt sein, wobei der Schutziso-Schirmes 1 untergebracht sein. Da das Gerät für lationsmangel 2 an seiner durchbrochenen Stelle zur Netzbetrieb mit Schutzleiteranschluß geeignet sein Halterung dient. Es wird zweckmäßig sein, den Schalsoll, trägt das Gehäuse 1 eine isolierte Steckerplatte 3 ter 8 a von der Außenseite des Gerätes z. B. über eine mit Steckerstiften 5d, 6d und Id für den Anschluß Welle8ή bedienbar zu machen; es empfiehlt sich,z.B. der Litzen 5 a, 6 a und 7 α des Netzkabels 10. Die 60 den Schalter so auszubilden, daß das Bedienungseleeine Litze 7 α bildet den Schutzleiter, dem am netz- ment 8 d drehbar ist und eine mit einem Fenster 8 e seitigen Stecker 10 a Schutzleiterkontakte Id züge- versehene Platte oder Scheibe 8 c trägt, so daß an ordnet sind, die für den Anschluß an den Nulleiter diesem Fenster jeweils eine von zwei Aufschriften des Stromnetzes sorgen. Die Trennung zwischen Netz- zur Ansicht freigegeben wird, die die eingestellten teil 16 und Anwendungsteil 17 verläuft im wesent- 65 Schutzklassen angeben. Eine solche oder ähnliche liehen zwischen der Primärwicklung 4 α und der Se- zwangläufige Anzeige der eingestellten Schutzklasse kundärwicklung 4 b des Netztransformators. Zur Er- unmittelbar am Umschalter läßt bei der Bedienung zielung der geforderten Schutzisolation umgibt eine keine Irrtümer entstehen.

F i g. 2 zeigt die beschriebene Ausführungsform der Schalterplatte 8 in Aufsicht.

Durch die nach dem Erfindungsgedanken mögliche Umstellung der Schutzklasse eines Gerätes wird die Einsatzmöglichkeit in Betracht kommender Verstär- S kergeräte, insbesondere von Elektrokardiographen, wesentlich erweitert und vergrößert. Für die Praxis der medizinischen Diagnostik bei Unfällen u. dgl. dringenden Fällen ist dies ein wichtiger Fortschritt.

F i g. 3 zeigt eine konstruktiv durchgebildete Ausführungsform des Bedienungsteils des Schutzklassenumschalters. Ein am Gerätegehäuse befestigtes Tableau 8 trägt in einem oberen Feld 8 g den Hinweis »Schutzleiter angeschlossen, Kl. I«, in einem unteren durch die Rändelscheibe 8 c' verdeckten Feld 8 h den Hinweis »Schutzisoliert, Kl. II« oder ähnliche Bezeichnungen gleichen Sinnes. Die Rändelscheibe 8 c^r ist auf der Schalterwelle 8 b befestigt, so daß sich diese mit Drehung ersterer bei der Schalterumstellung hier um jeweils 180° mitdreht. Um ein unbeabsichtigtes Verstellen des Schalters zu verhindern, können die beiden Betriebsstellungen mittels einer Schraube 8 k fixiert werden, für die in der Rändelscheibe eine Führungsbahn 8 z eingeschnitten ist. Das ebenfalls vom Rand her eingeschnittene Fenster 8 c gibt die Aussicht auf den Hinweis der Schalterstellung frei.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Verstärker, insbesondere für Meß- und Registrierzwecke, mit einer Schutzisolierung zwischen dem Netzteil und dem Anwendungsteil, mit einer Steckbuchse für den Anschluß des Gerätes mittels eines Schutzleiterkabels an das Stromnetz, mit einer solchen Schaltungsauslegung, daß der Nulleiter über das Gehäuse an eine Betriebserde angeschlossen werden kann, und schließlich mit einem Umschalter zum Wechsel der Art des Berührungsschutzes, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Umschalter als Schutzklassenumschalter (8, 8 a) derart in das Gerät eingebaut ist, daß seine Betätigung einen Wechsel von der durch Anschluß des Nulleiters (13) der Schaltung und des Gehäuses (1) an den Schutzleiter (la) des Netzkabels (10) gekennzeichneten Betriebsart (VDE-Schutzklasse I) zu der durch volle Wirksamkeit der Schutzisolation (2) gekennzeichneten Betriebsart (VDE-Schutzklasse II) oder umgekehrt hervorruft, und daß zwischen dem Schutzleiterkontaktstift (Id) der Netzkabelsteckbuchse (3) und dem an das Gerätegehäuse (1) angeschlossenen Nulleiter (13) der Verstä.!torschaltung ein Hilfsleiter (7 b, 7 c) verlegt ist, der die Kontaktstrecke des Schutzklassenumschalters (8, 8ß) enthält und der den Mantel der an dieser Stelle unterbrochenen Schutzisolation (2) mit der Kontaktstrecke durchdringt, so daß im geöffneten Zustand des Schalterkontaktes (8 a) die Luftstrecke zwischen dem netzseitigen Schalterpol und dem beweglichen Kontakt (8 a) einen funktioneilen Teil der Schutzisolation (2) bildet.

2. Elektrischer Verstärker nach Anspruch 1, (/ dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsstrecke zwischen dem netzseitigen, festen Pol des Schutzklassenumschalters (8, 8 a) und dem beweglichen Schalterkontakt (8 a) oder anderen Chassisteilen wenigstens 8 mm beträgt.

3. Elektrischer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskontakt (8 a) des Schutzklassenumschalters mechanisch mit einem an der Außenseite des Gerätegehäuses angebrachten Bedienungsorgan (8 d) gekoppelt ist, das bei seiner Verstellung zwangläufig die Sicht auf einen die eingestellte Schutzklassenart anzeigenden Text freigibt, z. B. durch ein eingeschnittenes Fenster (8 e) einer am Verstellorgan (8 d) befestigten Scheibe oder Platte (8c).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen