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"Schutzschaltung. insbesondere für elektrisch beheizte Scheiben für
den Fall eines Scheibenbruchs" Kurzfassung der Beschreibung Es wird eine Schaltung
beschrieben, bei der eine oder mehrere Netzleitungs-Sicherungen automatisch durchbrennen,
sobald ein offener Stromkreis oder eine sonstige Unterbrechung im Hauptstromkreis
auftritt, wodurch ein Berührungsschutz zur Vermeidung elektrischer Schläge geschaffen
wird.
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Die Schaltung enthält ein Stromventil, z.B. einen Thyristor, das sich
normalerweise im gesperrten Zustand befindet. Dieses Ventil wird im Falle eines
Schadens an der Einrichtung schnell ausgelöst um die Leitung wirkungsvoll kurzzuschließen
und die Sicherungen durchbrennen zu lassen.
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Patentbeschreibung Bei mindestens teilweise durchsichtig gestalteten
Tiefkühlschränken, wie sie in Supermärkten zur Auslage und Lagerung gefrorener Lebensmittel,
Eiskrem usw. verwendet werden, neigen die Mehrscheibenglaswände in den gekühlten
Schranktüren dazu, zuzufrieren, wenn sie nicht in geeigneter Weise beheizt werden.
Bin Zufrieren des Türglases macht den Schrank als Mittel zur Schaustellung der gekühlten
Waren ungeeignet.
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Um die Eisbildung zu vermeiden wird im allgemeinen wenigstens eine
Scheibe mit einer durchsichtigen, leitfähigen Schicht versehen. An diese Schicht
wird elektrische Leistung angelegt, um Wärme zu erzeugen.
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Im Falle eines Bruchs der gläsernen Tür, wie sie z.B. durch jemanden
ausgelöst werden kann, der versehentlich in die Schranktür fällt, werden die Stromzuführungsleitungen
zu der leitfähigen Schicht und diese Schicht selbst freigelegt, Die Wahrscheinlichkeit,
daß ein Käufer und/oder dessen metallener Einkaufswagen in Kontakt mit dem freigelegten
und noch unter Spannung stehenden Stromkreis gerät, ist groß. In einem solchen Falle
wäre zumindest ein schwerer elektrischer Schlag die Folge. Nach dem bisherigen Stand
der Technik war ein Kurzschluß im Hauptstromkreis in der Regel der einzige Anlaß
zur Leistungs-Abschaltung von diesem Stromkreis, etwa durch Leistungsschalter oder
Schmelzsicherungen.
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Es wird deshalb eine schnell ansprechende Vorrichtung benötigt, mittels
deren die Leistung von allen Teilen einer Tür oder eines sonstigen Gebrauchs-Geräts
abgeschaltet wird, sobald ein zufälliger Bruch (offener Stromkreis) im System auftritt
(oder auch ein Leistungs-Ausfall auf der Lastseite der Einrichtung). Auf eine derartige
Vorrichtung bezieht sich die Erfindung.
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Diesem Problem Rechnung zu tragen, ist die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe. Mittels der Vorrichtung nach der Erfindung werden schnell und vorsätzlich
beide Seiten einer Zweidraht-Netzleitung im Falle eines Bruchs im Hauptstromkreis
überlastet, wodurch Sicherungen oder andere Schutzeinrichtungen in beiden Drähten
der Zuleitung ansprechen, also ausgelöst werden.
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Die Schaltung nach der Einrichtung zur Erzeugung der Uberlast
enthält
eine neuartige Kombination eines Steuerstromkreises, der auf einen Bruch im Hauptstromkreis
anspricht und ein Stromventil betätigt. Das Stromventil wird normalerweise durch
den Steuerstromkreis im nichtleitenden Zustand gehalten.
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Der Steuerstromkreis ist so eingerichtet, daß er das Stromventil in
einen Zustand hoher Leitfähigkeit versetzt, sobald er einen Bruch im Hauptstromkreis
des Geräts wahrnimmt.
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Der infolge des Zustands hoher Leitfähigkeit fließende Strom löst
als erstes eine der in die Leitungen eingebauten Sicherungen oder anderen Schutzeinrichtungen
aus.
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Ferner ist eine Stromsteuerschaltung vorgesehen. Nachdem die erste
der in die Leitungen eingebauten Sicherungen ausgelöst worden ist, leitet die Stromsteuerschaltung
den hohen Ventil strom um die erste ausgelöste Sicherung herum, bis auch die andere
Sicherung ausgelöst worden ist0 Dadurch wird jede Möglichkeit ausgeschaltet, daß
noch Spannung an irgendeiner Stelle liegt, wo freigelegte Drähte, Leitungen oder
andere Teile des Stromkreises vorhanden sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Stromsteuerschaltung
nicht benötigt, und der Steuerstromkreis und das Stromventil dienen nur zum Betrieb
einer Schutzeinrichtung in einer Seite der Netzleitung. Diese Ausführungsform findet
speziell dann Verwendung, wenn die andere Seite der Netzleitung gehörig geerdet
werden kann.
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Die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung wird zwar im folgenden
speziell in Hinblick auf elektrisch beheizte Glastüren oder Glaswände in Tieftemperaturschränken
besprochen. Es gibt jedoch noch viele andere Anwendungsgebiete für diese Vorrichtung.
Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Fehler-Zustand in einer elektrischen
Strom
führenden Schaltung dazu führt, daß die Schaltung oder Teile von ihr spannungsführend
werden und mit Personal in Berührung kommen können. In solch einer Situation ist
die sofortige Energieabschaltung eine notwendige Sicherheitsmaßnahme zum Schutz
des Personals.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe erstreckt sich daher auf
die Schaffung eines Schutzsystems, das die elektrische Energie von einer Apparatur
schnell abschaltet, sobald eine Unterbrechung des elektrischen Stroms in der Apparatur
als Folge eines Bruches in derselben auftritt.
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Des weiteren bezweckt die Erfindung, die erfindungsgemäße Schaltung
so zu gestalten, daß sie auch dafür sorgt, daß die elektrische Energiezufuhr zu
beiden Seiten einer Zweidraht-Netzleitung unterbrochen wird, sobald ein Bruch in
der Leitung aus irgendeinem Grunde auftritt.
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Diese und andere Aufgaben der Erfindung und deren Lösungen werden
in der folgenden Beschreibung noch genauer erläutert, wobei auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen. Die
Beschreibung soll nicht besagen, daß sich das Anwendungsgebiet auf die direkt beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt. Dem Fachmann wird es vielmehr möglich sein, auf Grund
der gegebenen Lehre weitere Ausführungsformen zu entwickeln.
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In der Zeichnung ist Fig. 1 ein schematischer Stromlaufplan einer
erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung, der - ebenfalls schematisch - eine typische
Last-Anordnung zeigt, auf welche die Sicherheitsvorrichtung anwendbar ist, Fig.
2 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung eines
Typs von beheiztem
Glas-Sandwich, auf den die Erfindung beispielsweise angewendet werden kann, und
Fig. 3 ein schematischer Stromlaufplan einer anderen Ausführungsform, bei der nur
eine Seite der Netzleitung vom nachfolgenden Verbraucher getrennt wird, sobald ein,
Fehler in dessen Schaltung auftritt.
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Die erfindungsge'mäße Vorrichtung arbeitet so, daß sie nach Auftreten
eines Bruchs im Hauptstromkreis schnell die Energiezufuhr abschaltet, so daß freiliegende
Teile oder gebrochene Teile des Hauptstromkreises nicht zu einer Gefahrenquelle
bei Berührung werden.
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Ein wichtiger Gesichtspunkt für den Betrieb der erfindungsgemäßen
Vorrichtung liegt in der Tatsache, daß ein Stromventil, z.B. ein Thyristor oder
ein Diodengleichrichter, Stoß ströme vertragen kann, die vielfach höher sind als
die Nennstrombelastbarkeit solcher Ventile.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält Einrichtungen, durch welche
zum Beispiel ein Thyristor in einem Aus-Zustand, also nicht getriggertem Zustand,
gehalten wird, bis ein spannungsempfindliches Element einen Leitungsbruch, also
einen offenen Stromkreis, im Hauptstromkreis feststellt oder meldet.
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Bei der gezeichneten Ausführungsform sind die bei den einzelnen Bauteilen
angegebenen Werte typisch für diejenigen in einer praktischen Ausführungsform der
Erfindung, in welcher 3 Ampere- und 4 Ampere-Sicherungen zur Absicherung von 240
Watt bei 120 Volt eingesetzt werden. Für andere Spannungs- und Leistungs-Anforderungen
können andere Werte Verwendung finden.
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In Fig. 1 wird der Schaltung elektrische Energie über Eingangsleitungen
10
und 11 zugeführt. Eine erste Sicherung Fl, in der Zeichnung als 4 Ampere-Sicherung
dargestellt, liegt in der einen Eingangsleitung 10. Eine zweite Sicherung F2, in
der Zeichnung als 3 Ampere-Sicherung dargestellt, liegt in der anderen Eingangsleitung
11.
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Die Sicherung F2 wird überbrückt durch eine Diode Di in Reihe mit
einem Widerstand R1 und eine Diode D2. Die Diode Dl ist so gepolt, daß ihre Kathode
12 mit der Leitung 11 verbunden ist und ihre Anode 13 mit einer Seite des Widerstands
R1. Die andere Seite des Widerstands R1 ist mit der Anode 14 der Diode D2 verbunden.
Die Kathode 15 der Diode D2 ist mit der anderen Seite 16 der Sicherung F2 verbunden.
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Diese Seite 16 kann als die "Rückleitungs"-Seite der Netzleitung aufgefaßt
werden. Die Kathode 17 eines Thyristors SCR1 ist angeschlossen an den Verbindungspunkt
20 zwischen Diode D2 und Widerstand R1. Die Anode 18 des Thyristors SCR1 ist über
einen Strombegrenzungs-Widerstand R2 mit einer Seite der Wechselstrom-Netzleitung
21 auf der der Schaltung zugewandten Seite der Sicherung F1 verbunden.
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Die Gate-Elektrode 19 ist über einen Widerstand R3 an den Verbindungspunkt
20 angeschlossen.
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Widerstände R4 und RS sind in Reihe zwischen die Netzleitungen 21
und 16 geschaltet und bilden einen Spannungstei-1er. Der Verbindungspunkt 22 zwischen
den Widerständen R4 und R5 ist über einen Kondensator Cl an die Gate-Elektrode 19
des Thyristors SCR1 angeschlossen. Außerdem ist der Kollektor 24 eines Transistors
Q1 an den Verbindungspunkt 22 angeschlossen. Der Emitter 23 des Transistors Q1 ist
an die Rückleitungsseite einer Gerätelast 30 angeschlossen. Die Gerätelast 30 ist
innerhalb eines gestrichelten Kastens dargestellt, der als Last die Widerstände
RL enthält. Die Basis des Transistors Q1 ist an den Verbindungspunkt von Widerständen
R6 und R7 angeschlossen. Anstelle des Widerstands
R7 kann zwecks
verbesserter Arbeitsweise der Schaltung auch eine Diode D3 vorgesehen werden. Die
Anode von D3 geht zum Emitter 23 und die Kathode von D3 zur Basis 25 des Transistors
Q1e Die andere Seite von R6 ist mit der einen Seite 21a der Last 30 verbunden. Die
andere Seite des Widerstands R7 ist mit der Wechselstrom-Rückleitung 16 verbunden.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform stellen die oben als Lastwiderstände
RL bezeichneten Elemente eine Glasplatte mit einer darauf aufgebrachten leitfähigen
Widerstandsschicht dar. Eine Mehrscheiben-Glaseinheit, die eine derart beschichtete
Glasplatte enthält, ist in teilweise aufgeschnittener Form in Fig. 2 abgebildet0
Der gesamte Lastwiderstand RL hat eine Stromzuführungsschiene 21b und eine Stromrückführungsschiene
16be Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Leitungen zu den Stromschienen mit den
Leitungen 21 und 16 der Sicherungsvorrichtung 31 verbunden sind.
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In Fig. 2 die nun näher erläutert werden soll, ist eine typische Mehrscheiben-Glaseinheit
dargestellt, wie sie in den Türen von Kühlschränken Verwendung findet. Die Stromschienen
21b und 16b werden bevorzugt in der Form von leitfähigen Streifen oder Bändern ausgeführt.
Ein durchsichtiger leitfähiger Widerstandsfilm 32 ist auf der Innenfläche der Scheibe
33 aufgebrachte Die Stromzuführungsschienen 21b und 16b sind streifenförmig gestaltet.
Wird ihnen Energie zugeführt, so erzeugt der Film 32, der aus Widerstandsmaterial
besteht, Wärme, wodurch die Eisbildung auf den Glasscheiben verhindert wird.
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Normalerweise ist ein leitfähiger Widerstandsfilm nur auf einer der
Glasscheiben angebracht. Die leitfähigen Stromzuführungsschienen können jedoch ebenfalls
auf einer nichtleitend beschichteten Scheibe 34 angebracht sein. So sind
sie
auch in Fig. 2 dargestellt. Mit dieser Anordnung, die übrigens für die Erfindung
nicht notwendig ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf eine im folgenden
zu beschreibende Weise die Leistung von der Glaseinheit abschalten, wenn eine beliebige
Scheibe beschädigt wird.
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Im Normalzustand isolieren die Glasscheiben 33 und 34 den Widerstandsfilm
32 und die Stromschienen 21 a,b und 16 a,b vom Außenraum der Einheit. Bricht eine
solche Einheit jedoch, so liegen der leitfähige Film und die Stromschienen frei.
In üblichen elektrischen Systemen führt ein offener Stromkreis, wie er durch einen
solchen Bruch entsteht, nicht zum Ansprechen einer Sicherung oder einer Abschaltvorrichtung.
Damit stellen in einem solchen Fall die freigelegten elektrischen Bauteile eine
schwerwiegende Gefahrenstelle dar. Werden die Scheiben jedoch erfindungsgemäß mit
der Vorrichtung 31 zusammengeschaltet, so ergibt sich folgende Betriebsweise.
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So lange wie der Stromkreis in Ordnung ist, erhält der Transistor
Q1 einen Basisstrom über den Widerstand R6 von der Leitung 21 a,b der Last 30. Die
Energiezufuhr zur Last 30 erfolgt über die Wechselstromzuleitungen 10, 11 über die
Sicherungen F1 und F2 und über die Leitungen 16 und 21.
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Die leitfähige Last 30 ist an den Anschlüssen 40 und 41 mit den Leitungen
16 und 21 verbunden.
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Wenn der Stromkreis des Transistors Q1 vollständig über den Emitter
23 zum Punkt 45 der leitfähigen Last 30 verläuft und der Basisstrom über R6 vorhanden
ist, erhält der Kollektor 24 von Q1 Strom von der Leitung 21 über den Widerstand
R4. Der Transistor Q1 ist somit leitend. Der Verbindungspunkt 22 befindet sich demzufolge
auf einem sehr niedrigen Potential, bezogen auf die Leitung 16. Man kann sagen,
daß er praktisch mit dieser Leitung kurzgeschlossen
ist0 Der Thyristor
SCR1 erhält demzufolge kein Gate-Potential und ist somit nicht leitend.
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Jeder Bruch in den Strompfaden zwischen 41 und-44 (oder 40 und 45)
oder über RL, wie er etwa durch einen Bruch einer der beiden Scheiben ausgelöst
wird, läßt die Vorspannung bzw. den Basisstrom am Transistor Q1 zusammenbrechen.
Dies macht den Transistor Q1 nichtleitend. Dadurch wird der Kurzschluß parallel
zum Widerstand R5 beseitigt, wodurch die Spannung am Verbindungspunkt 22 und somit
auch an der Gate-Elektrode des Thyristors SCR1 ansteigt. Der Thyristor SCR1 wird
somit in seinen hoch leitfähigen Zustand getriggert. Dies führt zu einer Überlastung
der Sicherung F2 über die Diode D2. Die Sicherung F2 brennt zuerst durch, da sie
eine niedrigere Strombelastbarkeit hat als die Sicherung F10 Nachdem die Sicherung
F2 durchgebrannt ist, fließt Strom über die Diode Di. Diestführt zu einer tiberlastung
der Sicherung F1, wodurch auch diese durchbrennt.
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Mit dem Durchbrennen der Sicherung F1 sind beide Leitungen 16 und
21 spannungsfrei, Durch den Widerstand Ri wird sichergestellt, daß der anfängliche
Überlaststrom zunächst über die Diode D2 und die Sicherung F2 fließt. Dl, D2 und
R1 können deshalb als Stromsteuerungsschaltung bezeichnet werden. Nachdem die Sicherung
F2 infolge Überstroms durch die Diode D2 durchgebrannt ist, spricht die Sicherung
F1 auf den überstrom durch die Diode D1 und den Thyristor SCR1 an.
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Die oben beschriebenen Vorgänge laufen schnell ab, und zwar im allgemeinen
innerhalb einer Zeitspanne, die sich aus der normalen Aufschmelzzeit der Schmelzsicherungen
F2 und F1 ergibt. In der Praxis ist dies -im allgemeinen weniger als 1/10 Sekunde.
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Sollte also infolge des Bruchs einer der beiden Glasscheiben
ein
Bruch im Hauptstromkreis auftreten, so werden innerhalb von etwa 1/10 Sekunde F2
und F1 durchbrennen, wodurch nirgendwo im Bereich der gebrochenen Glasscheiben mehr
Netzspannung anliegt. Dadurch wird die Gefahr elektrischer Schläge für jeden wirkungsvoll
eliminiert, der in Berührung mit den gebrochenen Scheiben oder zugehörigen Teilen
kommt.
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In Fig0 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Diese Ausführungsform ist so ausgelegt, daß sie die Leistungszufuhr in nur einem
Zweig der Netzleitung (Leitung 21 in Fig. 3) abtrennt. Diese Anordnung ist brauchbar,
wenn eine Erdung oder anderweitig hinreichende Isolation der Leitung 16 möglich
ist.
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Der Betrieb der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ähnlich demjenigen
der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und braucht nicht im einzelnen beschrieben zu werden.
Das Dioden-Stromsteuerungsnetzwerk nach Fig. 1 ist hier nicht nötig, da nur eine
Schmelzsicherung vorhanden ist. Ferner wurde gefunden, daß gegen Strom- und Spannungsstöße
schützende Bauteile (wie die Bauteile Cl, C3, R7 in Fig0 1) bei der vereinfachten
Schaltung mit nur einer Sicherung gemäß Fig. 3 fortgelassen werden können.
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Die Schutzvorrichtungen gemäß der Erfindung erlauben also eine rasche
Trennung von wahlweise einer oder beiden Stromzuleitungen von einem Verbraucher
bei Auftreten einer möglicherweise gefährlichen Fehlfunktion oder Zerstörung dieses
Verbrauchers.