DE2147425A1 - Schutzschaltung - Google Patents

Description

Anmelder: Sybron Corporation, 1100 Midtown Tower, Rochester, New York 14604, USA

Schutzschaltung

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für elektrische Geräte, insbesondere für ärztliche und zahnärztliche Geräte, die in Berührung mit einem menschlichen Körper gelangen können, um eine Gefährdung zu vermeiden, wenn bei dem Anschluß des Geräts an die Spannungsquelle irgendein Fehler vorliegt.

Wenn beispielsweise ein gepolter Stecker Verwendung findet, kann es vorkommen, daß auf Grund von Abnützungserscheinungen z.B. der Nulleiter dort angeschlossen wird, wo der Hauptleiter angeschlossen werden sollte. Ferner kann eine Diskontinuität in dem Erdleiter auftreten.

In vielen Fällen können derartige fehlerhafte Verbindungen, die durch einen vertauschten Anschluß oder eine Diskontinuität bedingt sind, Ströme durch den Körper verursachen, der in Berührung mit dem Gerät gelangt, wobei gefährdende Stromstärken für das betreffende Lebewesen auftreten können. In gewissen Fällen können derartige Fehler außerdem zu Beschädigungen des Geräts führen.

Es sind zahlreiche Schutzmaßnahmen gegen Gefährdung von Menschen durch zu hohe Berührungsspannung bekannt. Beispielswei-

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se werden gepolte Stecker so ausgebildet, daß in der Regel ein richtiger Anschluß gewährleistet ist, wobei ferner eine Erdung vorgesehen wird.

Elektrische Geräte können ferner mit einer Nachweiseinrichtung zum Peststellen von Fehlern versehen werden, beispielsweise mit einem Erdungs-Nachweisgerät oder einer Schmelzsicherung, welche beim Auftreten eines Fehlers das Gerät abschalten. Ein isolierender Transformator kann zwischen der Spannungsquelle und dem Gerät vorgesehen werden.

Die genannten Maßnahmen können jedoch vor oder nach dem Auftreten eines Ereignisses wirksam sein, weshalb sie nicht in jedem Falle zu dem Zeitpunkt wirksam sind, in dem die Verbindung hergestellt wird. Beispielsweise bedeutet die Abschaltung des Geräts in Abhängigkeit von einem Fehlerstrom, daß diese Schutzmaßnahme nicht wirksam wird, bevor ein Fehler strom tatsächlich geflossen ist. Im Falle eines sehr geschwächten Patienten wäre es aber oft wünschenswert, daß praktisch überhaupt kein Strom durch den Patienten fließt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Schutzschaltung, welche die elektrische Eigenart der Verbindung beim Herstellen der Verbindung nachweist, so daß bei ungeeigneten elektrischen Eigenschaften verhindert wird, daß das Gerät durch die Spannungsquelle erregt wird. Durch diese Schutzschaltung werden Spannungen nachgewiesen, so daß beim Auftreten eines falschen Anschlusses t und/oder einer Diskontinuität durch die Schutzeinrichtung Relais, Sperreinrichtungen oder dergleichen betätigt werden können, welche eine Energiezufuhr zu dem Gerät verhindern. Wenn deshalb Maßnahmen wie eine Polarisation oder Erdung ausfallen, werden durch die Erfindung diese Fehler nachgewiesen und eine Energiezufuhr wird verhindert. Da ein Spannungsnachweis erfolgt, wird die Einrichtung wirksam, bevor ein Fehlerstrom durch den Körper auftritt, der sich in Berührung mit dem Gerät befindet.

Die Erfindung ist beispielsweise auf elektrische Handwerkzeuge wie Bohrmaschinen anwendbar, sowie auf enzephalographische und elektromedizinische Geräte und dergleichen, wobei die Gewebe des Lebewesens, das in der Regel ein Patient ist, mit den Elektroden des Geräts in einer Berührung mit einem geringen

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elektrischen Widerstand stehen, und ferner in elektrischer Berührung mit anderen Teilen des Geräts und der Umgebung.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Verbindung des Geräts mit der Energiequelle über einen Hauptleiter und einen Nulleiter, und ferner ist ein Erdleiter vorhanden. Die Schutzeinrichtung enthält einen Differentialtransformator mit zwei Primärwicklungen, von denen eine durch die Spannung zwischen der Hauptleitung und der Nulleitung erregt wird, während die andere durch die Spannung zwischen der Hauptleitung und der Erdleitung erregt wird. Der Transformator hat ferner eine Sekundärwicklung, die so im Vergleich zu den Primärwicklungen vorgesehen ist, daß eine Spannung in der Sekundärwicklung auftritt, falls keine Spannung über beiden Primärwicklungen vorhanden ist und diese Spannungen nicht in einem geeigneten Verhältnis stehen. Die Sicherheitsschaltung enthält einen Schalter, der die Erregung des Geräts ermöglicht, der aber dann das Gerät nicht einschalten kann, wenn eine Spannung auf der SekundärIeitung auftritt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel betätigen die Spannungen zwischen der Hauptleitung und der Erdleitung und der Hauptleitung und der Nulleitung zwei siliziumgesteuerte Gleichrichter oder dergleichen Einrichtungen. Die Gleichrichter sind zusammen mit einer Induktivität in Reihe geschaltet, um es mit Hilfe eines Relais zu ermöglichen, das Gerät anzuschalten.

Bei einem weiteren Ausführungbeispiel wird eine erste Induktivität durch eine Spannung zwischen Hauptleitung und Erdleitung erregt, um den Schalter zum Anschalten des Geräts zu entriegeln. Eine zweite Induktivität wird durch die Spannung zwischen Hauptleitung und Nulleitung erregt, um den Schalter einschnappen zu lassen.

In jedem Fall ist die Schutzeinrichtung vorzugsweise Bestandteil des Geräts, mit dem sie Verwendung findet. Dies ist der Fall, weil die hier interessierenden Fehler außerhalb des Geräts und in dessen Anschlüssen mit der elektrischen Spannungsquelle auftreten. Meist handelt es sich um ein dreiartiges

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Kabel, dessen eines Ende an dem Gerät angeschlossen ist, während das andere Gerät ein Stecker mit vorragenden Elektroden ist. Eine entsprechende Steckdose enthält die Erdleitung, Nullleitung und die Hauptleitung. Die Schutzschaltung gemäß der Erfindung bildet vorzugsweise den Abschluß des Kabels zu dem Gerät, so daß zwischen dem Gerät und der Spannungsquelle auftretendeFehler verhindern, daß das Gerät angeschaltet wird, wenn eine Diskontinuität oder falsche Verbindung an irgendeiner Stelle zwischen Spannungsquelle und Schutzschaltung vorhanden ist. Deshalb können der Stecker oder die Steckdose fehlerhaft angeschlossen sein, sie können mit falscher Polarität verbunden sein, oder die Erdverbindung kann unterbrochen sein, während in allen interessierenden Fällen die Schutzschaltung derartige * Fehler nachweist und eine manuelle Einschaltung des Geräts durch den Benutzer verhindert.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Schutzschaltung gemäß der Erfindung zusammen mit einer Spannungsquelle und einem daran angeschlossenen Gerätf

Fig. 2 ein Schaltbild einer Schutzschaltung mit einem Differentialtransformator und dem Teil der Schaltung in Fig. 1, welcher diesem zugeordnet ist;

Fig. 3 und 4 zeigen andere Ausführungsbeispiele für den w in Fig. 2 dargestellten Differentialtransformator;

Fig. 5 eine Schutzschaltung mit siliziumgesteuerten Gleichrichtern und den zugeordneten Schaltungsteilen von Fig. 1;

Fig. 6 eine Schutzschaltung mit Spulen und den zugeordneten Schaltungsteilen aus Fig. 1; und

Fig. 7 eine Sicherheitsschaltung entsprechend Fig. 5 bei Verwendung für ein mit einem Transformator isoliertes System.

In Fig. 1 stehen die Hauptleitung 1, die Nulleitung 2 und die Erdleitung 3 über eine Steckverbindung oder derglei-

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chen mit dem Hauptleiter 4, dem Nulleiter 5 und dem Erdleiter 6 in Verbindung, so daß das Gerät A durch eine Spannungsquelle AC erregt werden kann.

Ein Spannungsnachweisgerät V ist an den Stellen 7, 8 und 9 mit den Leitern 4, 5 undo verbunden, um einen Schalter S entsprechend der Beziehung zwischen den Spannungen an diesen Stellen zu steuern. Der Schalter S hat bewegliche Kontakte 10, 11 und 12, um die elektrische Diskontinuität der betreffenden feststehenden Kontaktpaare 13 und 14, 15 und 16 und 17 und 18 elektrisch leitend zu überbrücken. Der gestrichelte Linienzug 19 zeigt den Mechanismus des Schalters S für die Bewegung der Kontakte 1O₇ 11 und 12.

Es sei angenommen, daß die Kontakte 10, 11 und 12 sich gemeinsam bewegen und normalerweise offen sind. Es wird ferner angenommen, daß die Stellen 7, 8 und 9 und das System der Kontakte 13 bis 18 so eng wie möglich in der Nähe der Teile des Geräts A angeordnet sind, mit denen sie eine elektrische Verbindung herstellen sollen. Der erste dieser Teile wird durch die Impedanz Z, gebildet, welche die elektrische Last darstellt, die durch die Spannungsquelle AC angetrieben werden soll. Der zweite Teil ist die Impedanz Z„, welche denjenigen Teil des Geräts darstellt, der nicht erregt werden soll. Normalerweise enthält Z~ die Nebenschlußimpedanz zu dem Gehäuse oder dem Gerüst für die Elektroden, Werkzeuge oder dergleichen, mit denen ein Patient berührt werden soll. -

Die Funktion der Meßeinrichtung V besteht darin, die Spannungen an den Anschlüssen 1, 2 und 3 nachzuweisen, um festzustellen, ob sie für einen elektrischen Anschluß der Impedanzen Z, und Z„ geeignet sind. Wenn dies der Fall ist, bewirkt die Meßeinrichtung V, daß der Schalter S die Kontaktpaare 13 und 14, 15 und 16 und 17 und 18 schließt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Meßeinrichtung V nicht wirksam, so daß die Kontakte 10, 11 und 12 in dem dargestellten Zustand verbleiben und das Gerät A von der Spannungsquelle AC elektrisch getrennt bleibt.

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Es sei angenommen, daß die Anschlüsse 1, 2 und 3 eine Steckverbindung bilden. Dann sind die Enden der Leiter 4, 5 und 6 normalerweise Stecker, und die Verbindungen von Erde und Spannungsquelle AC sind normalerweise in einer Steckdose enthalten.

Aus irgendwelchen Gründen ist es mitunter möglich/ daß die Steckkontakte falsch angeschlossen werden, beispielsweise, daß der Hauptleiter und der Nulleiter vertauscht werden, so daß der Nulleiter mit dem Hauptleiter in Verbindung steht. Eine derartige Vertauschung kann bei der Verbindung der Steckdose mit der Spannungsquelle AC und Erde vorhanden sein, so daß eine mechanisch an sich richtige Steckverbindung elektrisch nicht in Ordnung wäre. Ferner können Unterbrechungen in den Verbindungen links von den Anschlüssen 7, 8 und 9 vorhanden sein.

Im allgemeinen ist es nicht wünschenswert, das Gerät A anzuschalten, wenn irgendeine Vertauschung der Anschlüsse links von den Stellen 7, 8 und 9 vorhanden ist, oder wenn irgendeine elektrische Diskontinuität links von den Stellen 7, 8 und 9 vorliegt.

Die grundsätzliche Wirkungsweise der Einrichtung V besteht darin, daß sie den Schalter S nur dann betätigt, wenn sie die Betriebsspannung zwischen den Anschlüssen 7 und 8 und zwischen den Anschlüssen 7 und 9 gleichzeitig nachweist. Wenn der Leiter 4 mit dem Anschluß 2 verbunden wird, und der Leiter 5 mit dem Anschluß 1, ist praktisch keine Spannung zwischen den Stellen 7 und 8 vorhanden, wenn die Impedanz Z- hinreichend klein ist. Wenn statt dessen eine elektrische Diskontinuität zwischen den Stellen 9 und Erde G vorhanden ist, dann liegt keine Spannung zwischen den Anschlüssen 7 und 9.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß insbesondere eine anfängliche Erregung des Geräts A bei verschiedenen fehlerhaften Bedingungen hinsichtlich der Verbindung des Geräts A mit der Spannungsquelle AC und Erde verhindert werden soll. Dies ist kritisch für die elektrische Sicherheit, wenn das Gerät A in Verbindung mit einem Patienten benutzt werden soll, der wegen einer Krankheit, einem Unglücksfall oder aus

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dergleichen Gründen besonders geschwächt ist. Dies ist der Fall/ weil es angenommen werden muß, daß irgendein Fehlerstrom, der durch den Patienten fließt, für diesen gefährlich sein kann. Es ist üblich, das Gerät A mit verschiedenen Schutzeinrichtungen auszurüsten, die in Abhängigkeit von elektrischen Fehlern beim Betrieb des Geräts wirksam werden. Wenn also ein Gerät mit einem Patienten in Berührung gelangt, und wenn der Fehler bewirken konnte, daß Strom durch den Patienten fließt, dann fließt durch den Patienten der Fehlerstrom,während die Schutzeinrichtung die Situation überprüft, um festzustellen, ob die Energiezufuhr abgeschaltet werden muß oder was sonst erfolgen soll. Dagegen erlaubt es die Erfindung nicht, daß das Gerät angeschaltet und unter Spannung gesetzt wird, falls die elektrischen Bedingungen und die Verbindungen links von dem Schalter S nicht korrekt sind.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 2 ist nur soviel von Fig. 1 dargestellt, wie zum Verständnis der zusätzlichen Maßnahmen in Verbindung mit Fig. 1 erforderlich ist.

In Fig. 2 sind die Kontakte 10, 11 und 12 des Schalters S normalerweise geschlossen, aber nicht mehr normalerweise offen, wie bei dem obigen Fall. Dagengen bewirkt ein anderer Satz von beweglichen Kontakten 20, 21 und 22 zusammen mit den Kontaktpaaren 23 und 24; 25 und 26; und 27 und 28 die normalerweise gegebene Öffnungslage des Schalters S in Fig. 1.

Der Schalter S wird durch eine Spule 30 betätigt, die durch eine nicht dargestellte mechanische Konstruktion mit der gemeinsamen Koppeleinrichtung 19 in Verbindung steht. Wenn die Wicklung der Spule erregt wird, werden die Kontakte 10, 11 und 12 geöffnet. Vorzugsweise wird der Schalter durch eine Federkraft geschlossen gehalten, so daß bei Abschaltung der Spule die Kontakte 10, 11 und 12 automatisch in ihre geschlossene Lage gelangen.

Die Kontakte 20, 21 und 22, die eine geeignete Koppeleinrichtung 29 aufweisen, werden von Hand betätigt, beispielsweise durch einen Schwenkgriff T, der in der einen oder anderen Richtung verschwenkt wird, um die Kontakte 23 bis 28 zu öffnen

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oder zu schließen.

Vor einer Verbindung der Leiter 3, 4 und 5 mit der Spannungsquelle, wird der Schwenkgriff T betätigt, um die Kontakte ' 20, 21 und 22 in die dargestellte Lage zu bringen. Die Verbindungen werden dann hergestellt, so daß die Spannungsnachweiseinrichtung V, die ein Differentialtransformator mit Primärwicklungen 30 und 31 und einer Sekundärwicklung 32 und Kernen 33 und 34 sein kann, die Spannungen an den Stellen 7, 8 und 9 feststellen kann.

Die Wicklungen 30 und 31 sind über die Stellen 7 und 8 bzw. 7 und 9 angeschlossen, und auf Magnetkerne 33 bzw. 34 gewickelt, so daß jede Wicklung nur einen Fluß in dem betreffenden Kern induziert. Ferner erfolgt der Nachweis so, daß bei richtigen Spannungen an den Stellen 7, 8 und 9 der Fluß in dem Kern 34 entgegengesetzt dem Fluß in dem Kern 33 ist, in Bezug auf induzierte Spannungen in der Wicklung 32.

Die Sekundärwicklung 32 istüber beide Kerne gewickelt, so daß bei Änderung des Flusses in dem Kern eine Spannung induziert wird, die proportional der algebraischen Summe der Flußwerte in den Kernen ist.

Es ist deshalb ersichtlich, daß nur unter einer Bedingung keine Spannung in der Wicklung 33 induziert wird, wobei die Spannung zwischen den Stellen 7 und 9 gleich und entgegengesetzt der Spannung zwischen den Stellen 7 und 8 ist. Unter allen übrigen Bedingungen (ausgenommen die triviale Bedingung, wenn an den Leitern 4, 5 und 6 keine Spannung anliegt), ergibt sich eine resultierende Spannung, die in der Sekundärwicklung 32 induziert wird.

Da die Wicklung 32 mit der Wicklung 35 einer Spule 130 verbunden ist, wird die Spule erregt, wenn eine der oben beschriebenen Fehlbedingungen vorhanden ist. Wenn die Spule 130 erregt wird, werden die Kontakte 10, 11 und 12 geöffnet. Wenn deshalb zunächst die Leiter 3, 4 und 5 mit den Anschlüssen 1, 2 und 3 verbunden werden, unterbricht die Spule 130 sofort die elektrische Verbindung an den Kontaktpaaren 13 und 14, 15 und 16 und 17 und 18, wenn ein Fehlzustand bei der Herstellung der Verbindung vorhanden ist. Deshalb kann durch die Betätigung

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des Schwenkgriffs T das Gerät A angeschaltet werden, wenn ein Fehlzustand vorhanden ist.

Gewünschtenfalls kann das Kontaktsystem 20-28 mit einer Sperreinrichtung L versehen werden, welche Kontakte verriegelt, falls die Spule 130 nicht wirksam wurde. In diesem Falle kann die Spule 130 die Verriegelung über die Koppeleinrichtung 19 abschalten, so daß bei erregter Spule das Kontaktsystem 20 bis 28 nicht im verschlossenen Zustand verriegelt wird, wodurch der Benutzer erfährt, daß ein Fehler vorhanden ist.

Es ist ferner ersichtlich, daß das Kontaktsystem 10 bis 18 bei Verwendung einer Sperreinrichtung L weggelassen werden kann, wenn ein gewisser Fehlerstrom in dem Gerät A zugelassen werden kann. In diesem Falle betätigt der Benutzer den Schwenkgriff T und nimmt eine Verbindung an. Wenn jedoch die Spule 30 aufgrund des Nachweises eines Fehlers erregt wird, wird das Kontaktsystem 20 bis 28 nicht verbunden. Dies erfordert, daß das Kontaktsystem 20 bis 28 normalerweise in den offenen Zustand gedrückt wird, wenn die Verriegelungseinrichtung nicht wirksam ist.

Insbesondere können die beiden Kontaktsysteme durch einen Son Hand betätigbaren Unterbrecher mit Koriakten 20, 23 und 24 ersetzt werden, welche nur den Hauptleiter steuern, und welcher eine Spulenstruktur entsprechend der ersetzten Spule 130 hat, so daß bei Erregung der Kontakt 20 nicht mit den Kontakten 23 und 24 in Berührung gelangen kann, oder wenn die Kontakte 23 und 24 betätigt werden, der Kontakt 20 von den Kontakten 23 und 24 wegbewegt wird. Derartige Unterbrecher sind an sich bekannt.

Da die Wicklungen 30 und 31 Spannungsnachweiselemente sind, kann eine sehr schnelle Abschaltung der Verriegelung erfolgen. Selbst wenn ein gewisser Fehlerstrom fließen sollte, wird die Wirkung der Spule nicht mit dem Nachweis einer gewissen vorherbestimmten Höhe des Fehlerstroms verknüpft, bevor die Verriegelung betätigt werden kann, weil eine Spannung und kein Fehlerstrom nachgewiesen wird.

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Anstelle des Ausführungsbeispiels in Fig. 2 können andere Differentialtransformatoren Verwendung finden. In Fig. 3 besteht der Transformator aus zwei Transformatoren mit Kernen und 37, mit einer unterteilten Wicklung 32 zwischen diesen in der Form von Wicklungen 32A und 32B. In diesem Falle sind die Wicklungen 32A und 32B so gewickelt, daß sie einen Fluß in gleicher Richtung in den Kernen erzeugen, wenn korrekte Verbindungen zu entgegengesetzten Flußrichtungen führen, induziert durch Wicklungen 30 und 31 aufgrund ihres Wicklungssinns. Wenn der Wicklungssinn der Wicklungen 30 und 31 eine entgegengesetzte Flußrichtung verursacht, dann wurden die Wicklungen so gewickelt, daß sie diesen anderen für gleichgerichtete Flußrichtungen ent- ^ gegenwirken. Die Flußrichtung wäre hier durch ihren Uhrzeigersinn in den Kernen gekennzeichnet.

In Fig. 4 hat der Transformator einen E-I-Kern, der durch einen Luftspalt unterbrochen ist, welcher eine induktive Beziehung zwischen den Wicklungen 30 und 31 verhindert. Die Kernstruktur entspricht derjenigen in Fig. 2, in dem die Wicklung 32 eine einheitliche Wicklung ist, die um einen Schenkel des Kerns 36A und einen Schenkel des Kerns 37A gewickelt ist. Der Kern ist ebenfalls entsprechend demjenigen in Fig. 3, in dem die Kernteile 36A und 36B einen geschlossenen Flußweg definieren, der äquivalent demjenigen des Kerns 36 in Fig. 3 ist. Ferner definieren die Kernteile 37A und 37B einen geschlossenen Flußweg, . der äquivalent ist demjenigen des Kerns 37 in Fig. 3.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel soll das normalerweise offene Kontaktsystem 10 bis 18 von Hand betätigbar sein, beispielsweise durch eine Drucktaste P. Es sei angenommen, daß die Drucktaste herabgedrückt wird, um die Kontakte 10, 11 und 12 durch eine geeignete Koppeleinrichtung 49 zu bewegen, um die entsprechenden festen Kontaktpaare zu schließen. Das System wird jedoch normalerweise durch eine Verriegelungseinrichtung 38 offengehalten, welche über eine geeignete Koppeleinrichtung 39 durch die Spule 130 betätigt wird. Um das Kontaktsystem zu schließen, ist es deshalb erforderlich, die Spule 130 zu erregen, welche dann die Verriegelungseinrichtung

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aus dem Weg der Drucktaste herauszieht, so daß diese herabgedrückt werden kann. In diesem Falle könnte der Schalter auch so ausgebildet werden, daß er das geschlossene Kontaktsystem verriegelt.

Die Spule 130 wird nur dann erregt, wenn ein siliziumgesteuerter Gleichrichter 40 und ein siliziumgesteuerter Gleichrichter 41 gleichzeitig leitend werden. Der Gleichrichter 40 wird durch die Spannung zwischen den Stellen 7 und 8 und der Gleichrichter 41 durch die Spannung zwischen den Stellen 7 und 9 leitend, so daß die beiden Gleichrichter den Wicklungen 30 und 31 in den Fig. 2, 3 und 4 entsprechen. Die Übergänge zwischen Anode und Kathode des Gleichrichters führen die addierende Funktion der Spannungsnachweiseinrichtung der Fig. 2, 3 und

4 mit den Transformatoren durch, mit der Ausnahme, daß in Fig.

5 diese Funktion dazu benutzt wird, um das Kontaktsystem 10 bis 13 ZM entriegeln, so daß es von Hand in einen geschlossenen Zustand gebracht werden kann, während in den Fig. 2, 3 und 4 das Kontaktsystem in dem normalerweise offenen Zustand verriegelt wird.

Da die Spannungen zwischen den Stellen 7 und 8 und zwischen den Stellen 7 und 19 normalerweise höher als nötig sind, um die siliziumgesteuerten Gleichrichter umzuschalten, die in der Schaltung entsprechend Fig. 5 Verwendung finden, sind Spannungsteilerwiderstände 42 und 43 vorgesehen, welche an die Gate-Elektroden 44 und 45 der Gleichrichter 40 und 41 einen vorherbestimmten Bruchteil der Spannungen zwischen den Stellen 7 und 8 und 7 und 9 liefern.

Die Dioden 47 und 48 schützen die Gate-Kathoden-Übergänge der siliziumgesteuerten Gleichrichter gegen Umkehrspannungen, und die Diode 54 verhindert, daß die Spule 130 während des anfänglichen Aufbaus des Stroms in der Relaiswicklung klappert.

Da die Verriegelungseinrichtung 38 nur weit genug weggezogen werden muß, um eine Bewegung der Drucktaste P um einen verhältnismäßig kurzen Abstand zu ermöglichen, kann ein normalerweise geschlossener Schalter 50 vorgesehen werden, um die

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Verbindung der siliziumgesteuerten Gleichrichter mit dem Nullleiter an der Stelle 51 zu öffnen. Nachdem das Kontaktsystem 10 bis 18 in den geschlossenen Zustand gebracht wurde, können die Gleichrichter wieder durch Öffnen des Schalters 50 abgeschaltet werden.

Die Verriegelungseinrichtung 38 kann mit einer vorspannenden Feder 52 versehen werden, welche diese in die dargestellte Lage drückt, bis die Spule wirksam wird, wobei die Verriegelungseinrichtung 38 nach links gezogen wird und die Feder zwischen der Struktur 53 und der Verriegelungseinrichtung zusammengedrückt wird, welche Struktur 53 zur Abstützung der Verriegelungseinrichtung stationär ist, sowie zwischen anderen Elementen des Kontaktsystems. Wenn deshalb das Kontaktsystem in einem offenen Zustand betätigt wird, gelangt die Verriegelungseinrichtung 38 in die dargestellte Lage zurück und verhindert eine erneute Betätigung der Drucktaste P, falls die Spule nicht erregt ist. Der Schalter 50 muß geschlossen werden, bevor die Drucktaste P erneut betätigt werden kann."

Die der Koppeleinrichtung 49 in Fig. 5 entsprechende Struktur in Fig. 6 enthält ein starres Querglied 56 mit einem davon vorragenden Dorn 57. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind eine Spule 130, eine Verriegelungseinrichtung 38 und eine Feder 52 vorgesehen, um eine Betätigung des Kontaktsystems in die geschlossene Lage durch die Drucktaste P zu verhindern, falls die Spule 130 nicht erregt ist, um die Verriegelungseinrichtung 38 aus dem Weg des Doms 57 zu verschieben.

Zusätzlich sind eine zweite Spule Z30, eine Verriegelungseinrichtung 138 und eine Feder 152 vorgesehen. Eine ortsfeste Struktur 58 ist ebenfalls vorgesehen, welche der Struktur 53 in Fig. 5 mit der Ausnahme entspricht, daß diese auch die Verriegelungseinrichtung 138 stütz und führt. Normalerweise befindet sich die Verriegelungseinrichtung in der dargestellten Lage, falls die Spule Z30 nicht erregt ist, woraufhin die Verriegelungseinrichtung 138 durch die Spule Z30 in eine Lage über dem Dorn 57 bewegt wird, wodurch die Feder 157 gespannt

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Das Kontaktsystem 10 bis 18 wird durch den Einschluß von feststehenden Kontakten 9A und 9B abgewandelt, welche durch den beweglichen Kontakt 12 von Hand geschlossen werden. Der Kontakt 9A ist elektrisch mit der Stelle 9 verbunden, und ein Ende der Wicklung der Spule 30 ist elektrisch mit dem Kontakt 9B verbunden. Da das andere Ende der Wicklung der Spule 30 mit der Stelle 7 verbunden ist, erregt eine Spannung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 die Spule 130, wenn die Leiter 4, 5 und 6 mit den Anschlüssen 1, 2 und 3 verbunden sind, wodurch die Verriegelungseinrichtung 38 aus dem Weg des Dorns 57 bewegt wird, so daß die Drucktaste P benutzt werden kann, um das Kontaktsystem in die geschlossene Lage zu bringen, mit Hilfe des Querglieds 56 und anderer Elemente der Koppeleinrichtung 49.

Wenn die Drucktaste P herabgedrückt wird, wird durch den Mechanismus eine Feder 59 gegen einen geeigneten Teil der ortsfesten Struktur 58 gedrückt. Wenn die Drucktaste dann freigegeben wird, bewirkt die Feder 59, daß der Mechanismus das Kontaktsystem in den dargestellten Zustand betätigt.

Wenn jedoch die Drucktaste P herabgedrückt wird und wenn das Kontaktsystem in den geschlossenen Zustand gelangt, wenn eine Spannung zwischen den Punkten 7 und 8 vorhanden ist, dann ist die Spule 230 erregt, weil ihre Wicklung zwischen den Stellen 7 und 8 angeschlossen ist. Der Mechanismus mit dem Dorn 57, den Verriegelungseinrichtungen 38 und 138 etc. ist so proportioniert, daß im geschlossenen Zustand der Dorn 57 weit genug herabbewegt wurde, damit die Verriegelungseinrichtung 138 weit genug nach rechts verschoben werden kann, um in den Weg des Dorns 57 zu gelangen, in einem so ausreichenden Ausmaß, daß die Feder 59 daran gehindert ist, das Kontaktsystem aus dem geschlossenen Zustand zu bewegen, wenn die Drucktaste P freigegeben wird. Ferner wird eine derartige Proportionierung vorgesehen, daß die Verriegelungseinrichtung 38 aus dem Weg herausgehalten wird, weil der Dorn nun den Zwischenraum einnimmt, welchen die Verriegelungseinrichtung 38 einnahm, bevor die Spule 130 diese aus dem Weg des Dorns herauszog. Wenn die Verriege-

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lungseinrichtung 138 nicht nach rechts verschoben wird, wenn die Drucktaste P betätigt wird, ist deshalb nichts vorhanden, um die Feder 59 daran zu hindern, die Drucktaste hochzudrükken, ausgenommen der Einfluß der Feder 52, welcher die Verriegelungseinich tung 38 gegen das Ende des Doms drückt. Wenn die Kontakte 17 und 18 durch de.n Kontakt 12 geschlossen sind, ist die Verbindung der Wicklung der Spule 130 zu der Stelle 9 offen. Die Feder 52 und die angrenzenden Teile der Verriegelungseinrichtung 38 und des Dorns 57 sind so ausgebildet, daß z.B. eine Reibung zwischen der Verriegelungseinrichtung und dem Dorn allein nicht ausreicht, um die Feder an einer Öffnung des Kontaktsystems zu hindern, nachdem die Drucktaste P freigegeben wird.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß das Kontaktsystem nicht geschlossen werden kann, falls keine Spannung zwischen den Stellen 7 und 9 vorhanden ist. Selbst wenn es geschlossen werden könnte, bleibt es ferner geschlossen, falls nicht ebenfalls eine Spannung zwischen den Stellen-7 und 8 vorhanden ist.

Fig. 7 zeigt Abwandlungen, die verschiedene Kombinationen mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen ermöglichen.

Das die Energieversorgung des Geräts A steuernde Kontaktsystem kann vereinfacht werden, indem der bewegliche Kontakt 11 und feststehende Kontakte 15 und 16 Verwendung finden. Da die Schaltung mit den siliziumgesteuerten Gleichrichtern von Fig. 5 hier Verwendung findet, ist das Kontaktsystem 11, 15 und 16 normalerweise offen und wird nur geschlossen, wenn die Bedingungen an den Einschlüssen I¹, 2¹ und 3¹ korrekt sind. Es ist zu bemerken, daß die Anschlüsse 1', 2' und 3' als Steckverbindungen dargestellt sind, jedoch den Anschlüssen 1, 2 und 3 entsprechen.

Eine andere Ausführungsform, die oft in Opaationssälen verwandt wird, ist die Isolation des Geräts A von der Spannungsquelle AC durch einen Isoliertransformator 60 mit einer Primärwicklung 61, die über der Spannungsquelle AC angeschlossen ist, und mit einer Sekundärwicklung 62 mit einem zentralen Abgriff,

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deren betreffende Enden mit den Anschlüssen I¹ und 2" verbunden sind, während die zentrale Oberseite davon mit dem Anschluß 3' über ein Nachweisgerät D für Erdungsfehler verbunden ist.

Die Leiter 4 und 5 liefern die volle Spannung der Wicklung 62 über einer Induktanz L, beispielsweise der Wicklung oder den Wicklungen eines Elektromotors, der einen Teil des Geräts A bildet. Der Leiter 6 erdet das Gehäuse oder einen anderen Teil des Geräts, welches mit dem Patienten oder dem Benutzer des Geräts in Verbindung gelangen kann, und welches die elektrische Last L mehr oder weniger umhüllt und/oder mehr oder weniger vor dem Patienten oder Benutzer mechanisch abtrennt.

Während die Leiter 4 und 5 nicht voneinander als Nullleiter und Hauptleiter bei diesem Ausführungsbeispiel unterschieden werden können, ist es ebenfalls notwendig, ein Schließen des Kontaktsystems 11, 15 und 16 bei Fehlbedingungen zu verhindern, wenn die Steckverbindung mit den Anschlüssen I¹, 2' und 3' hergestellt wird, wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen. Da die Stellen 7, 8 und 9 elektrisch dieselben wie vorher sind, was im Hinblick auf ihre Verbindungen mit der Gleichrichterschaltung und der Wicklung 62 ersichtlich ist, ist erkennbar, daß die Arbeitsweise bei der Schaltung entsprechend Fig. 7 wie vorher erfolgt, wenn die Steckverbindung hergestellt wird, jedoch mit der Ausnahme, daß ein Unterschied aufgrund der Vereinfachung der Erregung durch die lediglich vorhandenen Kontakte 11, 15 und 16 besteht.

Die Nachweiseinrichtung D ist gewöhnlich bei Isoliertransformatoren der in Fig. 7 dargestellten Art vorgesehen, ist jedoch nicht wesentlich für die Arbeitsweise der Gleichrichterschaltung etc. in Fig. 7. Gewöhnlich gibt die Nachweiseinrichtung D lediglich das Vorhandensein eines Erdungsfehlers in dem Gerät A an, also einen zu starken Erdungsstrom über das Gehäuse H. Die Erfindung betrifft jedoch nicht derartige Fehler, welche eine mögliche Eigenschaft des Geräts A sind, sondern die Verbindung des Geräts A mit der Wicklung 62. Dies bedeutet, daß das Gerät A vom Erdpotential wegen des Isoliertransformators 60 weggelangen kann, und wenn ein Teil des Geräts A einen Er-

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dungsfehler hat, würde dies im allgemeinen nicht die Beziehung der Spannungen auf den Leitern 4, 5 und 6 beeinflussen. Was die Nachweiseinrichtung D bewirkt, wird davon bestimmt, ob irgendeine Spannung zwischen Erde und dem Leiter 6 vorhanden ist oder nicht, wenn die Verbindungen zu dem Gerät A korrekt sind. Wenn dadurch keine Spannung nachgewiesen wird, dann ist das Gehäuse H geerdet (was sicher ist, wenn nicht wünschenswert) , aber wenn eine Spannung nachgewiesen wird, die größer als ein vorherbestimmter Wert ist, dann ist diese Spannung zwischen irgendeinem Teil des Geräts und Erde vorhanden, was eine Gefahr für den Benutzer oder den Patienten bedeuten kann.

Aus den vorangegangenen Ausführungen ist ersichtlich, daß zahlreiche Abwandlungen der Ausführungsbeispiele der beschliebenen Schutzschaltung möglich sind. Viele andere Ausführungsformen können von den beschriebenen Ausführungsbeispielen abgeleitet werden. Beispielsweise kann in Fig. 2 eine Verriegelungseinrichtung wie die Verriegelungseinrichtung 38 in Fig. anstelle des Kontaktsystems 10 bis 18 betätigt werden, um das Kontaktsystem 20 bis 28 gegen ein Verbleiben im geschlossenen Zustand zu verriegeln. Es könnten auch Alarmsignale verusacht werden, um Verbindungsfehler erkennbar zu machen. Es können auch andere Schaltelemente (z.B."triacs") anstelle der siliziumgesteuerten Gleichrichter Verwendung finden, und mit Ausnahme der Fig. 7 kann die Spannungsquelle AC entweder eine Wechselspannungsquelle oder eine GIeichspannungsquelLe sein.

Patentansprüche

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Claims (11)

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1.j Schutzschaltung für ein elektrisches Gerät, das in einen ungefährlichen elektrischen Kontakt mit einem Lebewesen gelangen kann, wenn das Gerät angeschaltet und fehlerfrei ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung dem Gerät derart zugeordnet ist, daß kein Fehler verursachen kann, daß das Gerät einen gefährdenden elektrischen Kontakt mit dem Lebewesen ermöglicht, daß der Hauptleiter des Geräts mit einem ersten Teil des Geräts verbunden ist, und den ersten Teil des Geräts mit der Hauptleitung der Spannungsquelle verbinden kann, daß der Nulleiter des Geräts mit dem ersten Teil verbunden ist und den ersten Teil mit der Nulleitung der Spannungsquelle verbinden kann, daß der Erdleiter des Geräts einen zweiten Teil des Geräts mit einem Erdanschluß verbinden kann, daß eine von dem Gerät unabhängige Einrichtung die Nullleitung und die Erdleitung elektrisch verbindet, daß das Gerät in Abhängigkeit von der elektrischen Energie der Spannungsquelle erregbar ist, die an den Anschlüssen verfügbar sind, daß die Schutzschaltung einen Schalter enthält, der normalerweise die elektrische Kontinuität des Hauptleiters an einer Stelle zwischen dem Hauptanschluß und dem ersten Teil unterbricht, daß der Schalter normalerweise unabhängig von dem Rest der Fehlernachweiseinrichtung betätigbar ist, um eine elektrische Kontinuität an dieser Stelle herzustellen, daß die Schutzschaltung eine Spannungsnachweiseinrichtung enthält, die mit den Leitern em Stellen zwischen diesen Teilen einerseits und andererseits mit den Anschlüssen verbunden ist, daß die Spannungsnachweise inrichtung mit dem Schalter verbunden ist und auf die unterschiedlichen Spannungen an diesen Stellen anspricht, um diesen Schalter im wesentlichen daran zu hindern, eine elektrische Kontinuität an dieser Stelle herzustellen, falls irgendeine der folgenden Bedingungen vorliegt: Elektrische Diskontinuität in dem Nulleiter; elektrische Diskontinuität in dem Erdungsleiter; Verbindung des Hauptleiters mit dem Erdanschluß und des Erdleiters mit dem Hauptanschluß; Verbindung des Haupt-

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leiters mit der Nulleitung und des Nulleiters mit dem Hauptanschluß; Verbindung des Nulleiters mit dem Erdanschluß und des Erdleiters mit der Nulleitung, falls sich die Nulleitung und die Erdleitung auf unterschiedlichen Potentialen befinden.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule vorgesehen ist, daß der Schalter erste und zweite Kontakte und einen beweglichen Kontakt hat, der von einem zu dem anderen Kontakt beweglich ist, daß der Kontakt ständig mit dem Erdleiter verbunden ist, daß die Spule zwischen dem ersten Kontakt und dem Hauptleiter angeschlossen ist, daß die Spule eine Verriegelungseinrichtung und der Schalter ein bewegliches Glied aufweisen, das in erste und zweite Lagen beweglich ist, daß die erste Lage eine solche ist, bei welcher der Hauptleiter eine elektrische Diskontinuität aufweist und der bewegliche Kontakt mit dem ersten Kontakt in Berührung steht, daß in der zweiten Lage die elektrische Kontinuität hergestellt ist und der Kontakt den zweiten Kontakt berührt, daß die Verriegelungseinrichtung normalerweise so angeordnet ist, daß sie eine Bewegung des beweglichen Glieds von der ersten Lage in die zweite Lage verhindert, solange die Spule nicht erregt ist, aber daß ein Ansprechen auf die Erregung der Spule erfolgt, um eine Bewegung aus dem Bewegungsweg des beweglichen Glieds zu erzielen, und daß die Spule die Spannungsnachweiseinrichtung ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die auf eine Spannung zwischen dem Hauptleiter und einem der anderen Leiter anspricht, sowie auf den Schalter, der sich in der zweiten Lage befindet, um den Schalter in der zweiten Lage zu verriegeln.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Spule vorgesehen ist, die eine zweite Verriegelungseinrichtung aufweist, daß die zweite Spule zusammen mit der ersten Spule die Spannungsnachwei»einrichtung ist, daß die zweite Verriegelungseinrichtung normaler-

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weise sich in einer solchen Lage befindet, daß eine Bewegung des beweglichen Glieds von der ersten Lage in die zweite Lage ermöglicht ist, aber ein Ansprechen auf eine Erregung der zweiten Spule und auf die Bewegung des beweglichen Glieds zu der zweiten Lage erfolgt, um in eine Lage zu gelangen, welche eine Bewegung des zweiten Glieds in die erste Lage verhindert, solange die zweite Spule erregt ist.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter und ein dritter Schalter vorgesehen sind, daß der zweite und der dritte Schalter normalerweise geöffnet sind und in Reihe zueinander und mit einer Spule zwischen den Nulleiter und den Hauptleiter geschaltet sind, daß die Spannungsnachweiseinrichtung eine Einrichtung enthält, die mit dem zweiten und dem dritten Schalter verbunden ist, um beide in Abhängigkeit von der Spannungsnachweiseinrichtung zu schließen, welche im wesentlichen die Spannung der Spannungsquelle sowohl zwischen dem Hauptleiter und dem Erdleiter, und zwischen diesem Leiter und dem Nulleiter nachweist, daß der erste Schalter ein bewegliches Glied ist, das in eine erste und eine zweite Lage beweglich ist, daß in der ersten Lage jeder der Leiter zwischen dem Gerät und der Pehlernachwexsexnrxchtung unterbrochen ist, daß in der zweiten Lage der Leiter elektrisch leitend zwischen der Fehlernachwexsexnrxchtung und dem Gerät angeschlossen ist, und daß der erste Schalter eine Verriegelungseinrichtung aufweist, welche normalerweise die Bewegung des Glieds von der ersten Lage in die zweite Lage hindert, aber auf die Erregung der Spule anspricht, um aus dem Bewegungsweg dieses Glieds zu gelangen.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß die Schutzschaltung und die Spannungsnachweise xnrxchtung einen ersten Magnetkern aufweisen, einen zweiten Magnetkern, sowie Primärwicklungen auf den Magnetkernen und eine Sekundärwicklung auf dem Magnetkern, daß die eine Primärwicklung zwischen dem Hauptleiter und dem Nulleiter angeschlossen ist, um einen ersten Fluß in dem ersten Magnetkern

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zu erzeugen, wenn eine Spannung zwischen dem Hauptleiter und dem Nulleiter vorhanden ist, daß die zweite Primärwicklung zwischen dem Hauptleiter und dem Erdleiter angeschlossen ist, um einen zweiten Magnetfluß in den zweiten Magnetkern zu erzeugen, wenn eine Spannung zwischen dem Hauptleiter und dem Erdleiter vorhanden ist, daß die ersten und zweiten Magnetkerne so angeordnet sind, daß der erste und der zweite Fluß neutral unabhängig voneinander sind, und daß die Wicklung des Schalters eine Einrichtung enthält, so daß die Spule verursacht, daß der Schalter eine elektrische Kontinuität an dieser Stelle nur dann herstellt, wenn die letzten beiden Spannungen dieselbe Polarität und praktisch dieselbe Größe aufweisen.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetkerne vorgesehen sind, von denen jeder eine und eine weitere der Primärwicklungen trägt, und daß beide die Sekundärwicklung tragen.

8. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetkerne vorgesehen sind, von denen jeder eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung trägt, daß die zuletzt genannte Primärwicklung die erstere der Primärwicklungen ist, und daß jede der zuletzt genannten Sekundärwicklungen zusammen die erstgenannte Sekundärwicklung bildet.

9. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem elektrisch erregbaren Gerät mit einem Hauptanschluß, einem Nullanschluß und einem Erdanschluß, gekennzeichnet durch eine erste Wicklung für eine Verbindung zwischen dem Hauptanschluß und dem Nullanschluß, durch e ine zweite Wicklung zur Verbindung zwischen dem Hauptanschluß und dem Erdanschluß, durch eine dritte Wicklung, durch einen ersten Magnetkern für eine induktive Beziehung zwischen der ersten Wicklung und der dritten Wicklung, durch einen zweiten Magnetkern für eine induktive Beziehung zwischen der zweiten Wicklung und der drittenWicklung, wobei die erste Wicklung keine induk-

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tive Beziehung zu der zweiten Wicklung hat, durch eine Schalteinrichtung für die Schutzschaltung zur manuellen Unterbrechung der elektrischen Kontinuität der Verbindung, die mit der dritten Wicklung verbunden ist, um auf eine Spannung darin anzusprechen, um die Kontinuität herzustellen, dann und nur dann wenn die dritte Wicklung eine Spannung hat, welche einer Korrektur der Verbindung des Geräts mit den Anschlüssen entspricht, sowie korrekten Spannungen an den Anschlüssen.

10. Schutzschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Wicklung einen Teil aufweist, der nur um einen der Magnetkerne gewickelt ist, während ein anderer Teil nur um den anderen der Magnetkerne gewickelt ist.

11. Schutzschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Wicklung ßeide Magnetkerne gewickelt ist.

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