DE2357361A1

DE2357361A1 - Elektrischer schaltkreis zur erfassung von erdungsfehlern

Info

Publication number: DE2357361A1
Application number: DE2357361A
Authority: DE
Inventors: Huai-Kuang Loh
Original assignee: AMF Inc
Current assignee: AMF Inc
Priority date: 1973-04-23
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1974-11-07
Also published as: GB1402500A; JPS502144A; US3801871A; CA997850A; AU6117673A; FR2226769A1; ZA737756B

Description

ν. V rsr-v^-r.vjrt

777 Westchester Avenue

White Plains,. Hew York 10CO4_f V.St.7\.

elektrischer Schaltkreis -zur Erfassung von
Erdungsfehlern

Die Erfindung betrifft einen, elektrischen Schaltkreis zur Unterbrechung des Stromes (GFI ground fault interrupter) zur
Erfassung eines unervninsch ten Erdschlusses oder anderer risikoreicher Zustünde bei stromführenden Leitern eines elektrischen iiet'zsvsteres, wobei ein solcher Erdschluß erfaßt wird/ damit
der Stronflu3 von der Stroinauelle unterbrochen wird.

üs sind bisher viele Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die
einen Schutz von Lebewesen und Eigentum bez'/ecl-en, v/enn-diese
unbeabsichtigt rät einer stronführenden Leituria eines elektrischen Versorgunassvsteins in Berührung konunen oder welche unerwartet hohen Stronflüssen auscesetzt sind und infolgedessen
einen Schock erleiden oder beschädiat -.-rerden, weil in der= Vcrsorcuncrss^ste.Ti ein Fehler vorhanden ist. Viele dieser Vorrichtungen sehen einen Differentialtransforniator vor_r dessen Prir-iär-

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wicklungen die stror:.fühi"encter. Leitungen des Versorgungssystem bilden und de 3 ρ en Sekundärv/icklung an den Meßkreis für Gen Fehler enqeschlosser. ist. ^rierm in den Leitungen des Systems kein Fehler vorhanden ist oder keine Gefahr besteht, dann ist der in einer Primärwicklung zu den Verbraucher fließende Strom gleich dem zur -Stroinrruelle durch die andere Primärwicklung zurückkehrenden Strom. Die in den Primärwicklungen des Transforrators vorhandenen gleichen Ströme erzeugen gleiche und entgegen era set 2 te magnetische Kraftfelder in dem Transformatorkern, und es wird kein Signal an die Sekundärwicklung abgegeben. Wenn in den Svsten ein Fehler auftritt, daß z.B. ein Lebewesen unbeabsichtigt eine Verbindung zwischen einer stromführenden Leitung zu:n Boden herstellt, dann sind die Ströme in den Primärwicklungen des Transformators nicht mehr gleich und in dein Transformatorkern wird ein entsprechendes Kraftfeld aufgebaut. Dieses Kraftfeld erzeugt ein Signal in der Sekundärwicklung, welches von einem Fühlkreis erfaßt wird und welches seinerseits einen Stromkreisunterbrecher in Betrieb setzt, so daß die Leitungen von den System getrennt werden.

Der erfindungsgenäße Unterbrecherschaltkreis zur Erfassung einer Fehlerdung weist einen Transformator mit zwei Primärwicklungen mit mehreren ^indungen auf, die mit den beiden Leitern entsprechend in Reihe abschaltet sind/ sowie eine Sekundärwicklung pit mehreren Windungen. Jedoch weicht der erfindungsgeirässe Transformator in cer Konzeption und der Funktion von den vorbekannten Vorrichtungen ab, weil die Funktionsweise des Transformators crenäß der Erfindung nicht auf dein Prinzip von sich unterscheidenden Stronflüssen in zwei Primärwicklungen beruht, un ein Kraftfeld in dem Transformatorkern zu erzeugen, welches in der Sekundärwicklung eine Spannung oder eine Spannuacspncerung induziert. Bei der vorliegenden Erfindung ist

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die Sekundärwicklung ein Teil eines Schwingkreises init eir.err. hohen O-Faktor, v/elcher an eincin soannunqsgeregelten Oszillator angeschlossen ist. In einen geeigneten Betriebszustand, bei äera kein 3rdungsfehler in einen der Leiter auftritt, wirken die Impedanzen der beiden Primärwicklungen über den Transformator auf den Schwingkreis als im wesentlichen unendliche Impedanzen zurück, so daß sie in v/es entliehe η keine Wirkung auf die Abstimmung der, Schaltkreises ausüben. Venn eine Fehlverbindung zur Erde in einer der beiden Leitungen oder in beiden Leitern auftritt, dann v/eisen die Leiter keine unendlichen Impedanzen mehr a.uf, wirken jedoch auf den Schwingkreis als relativ kleine parallelgeschaltete Impedanz, so das der Q-Faktor des Schwingkreises verringert wird' und die Größe άοε-Oszillatorsignales kleiner wird. Die änderung der Größe des Oszillatorsignales in den Schwingkreis wird gemessen,, und wenn die Größenänderung um einen vorbestimmten Betrag erfolgt, dann wird ein Strotnkreisunterbrecher oder eine andere stromuntsrbrechenäe Vorrichtung in den Leitern betätigt, um die Verbindung zwischen der Stromquelle und dem Verbraucher zu unterbrechen. Die Sicherheitsbestimmungen der Industrie schreiben vor, daß ein Unterbrechers chaltkreis GFI der Klasse A in Abhängigkeit von einem kapazitiven Fehler gegenüber den- Boden von weniger als 0,015 ,uF nicht arbeiten, sollte. Um ein unerwünschtes Ansprechen des Oszillators beim Auftreten eines überwiegend kapazitiven Fehlers zu verhindern, der eine Verschiebunc des Resonanzfrequenz-Schwingkreises- hervorrufen"würde, ist der Oszillator in einer phasenkonstanten Leitungsschleife angeordnet, welche die Phase des Oszillatorsignales mit der Phase des Schwinakreissignales vergleicht. ^TJenn die Resonanzfrequenz des Schwingkreises infolge der Rückkopplung einer kapazitivan Ladung sich zu ändern versucht, dann neigt die Phase des Schwingkreissignales c.azu, sich zu ändern. Eine in der phaser.-

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konstanten Leitunasschleife angeordnete Vergleichseinrich.tur.rr veraleicht die Phasen des Ossiilatorsi.gnals und des Sc'iwinc.·- kreissicr.als und erzeuot in Abhängigkeit davon eir Freautnzabcfleich.Tsianal,' welches zu dem spsnnungsrceregelten Oszillator zurückgekoppelt wird, um dessen Frequenz zu ändern, da-nit diese r.it dor geänderten Resonanzfrequenz des Schwingkreises Übereins tix^nt. Auf diese ^T'Jeise wird sichergestellt, daß nur ein ohm' scher Erdungsfehler, der eine vorbestinonte Größe übersteigt, eine Funktion des Unterbrecherschaltkreisea GFI auslöst.

Bei einer, anderen Ausführuncrsbeispiel gemäß der Erfindung ist eine Vergleichseinrichtuner vorgesehen, die die Signale des Schwinakreises und eines Oszillators init konstanter Frequenz vergleicht und in Abhängigkeit dazu den kapazitiven Wert eines negativen Kaoazitätskreises steuert, d.h. dem Schwingkreis zuleitet. Innerhalb vorcegebener Grenzen erzeugt der negative Kapazitätskreis eine negative Kapazität, die die Kapazität eines Leiters der " Leitung , welche durch den Transformator dem Schwingkreis zugeleitet wird, aufhebt. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ändert sich daher nicht, ebenso wie die Crö3e des Durchgangssignals sich nicht ändert. Auf diese T'Jeise mißt der Fühlkreis keinen kapazitiven Fehler eines Leiters, der unterhalb einer gegebenen annehmbaren Größe liegt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Seichnuna. Darin zeigen:

Fig.i eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, wobei ein Teil schenatisch

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und ein weiterer Teil in einexn Blockschaltbilc dargestellt sind; und

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung eines v/eiteren Ausfuhr unqsbeispi eis der Erfindung, woLei ein Teil schematisch und ein v/eiterer Teil als Blockschaltbild dargestellt sind.

In der Fig.l sind Leiter 10 und 11 dargestellt, die einen "heißen" bzw. einen neutralen Leiter einer Starkstromleitung bilden und die eine geerdete Energieauelle 13 eines 60 dz Stromes z.B. mit entsprechenden Verbraucheranschiässen 14 und 15 verbinden. Ein von Hand betütigbarer Stromkreisunterbrecher 18 herkömmlicher Ausgestaltung ist mit seinen normalerweise geschlossenen Kontakten in die Leiter eingeschaltet. Diese Kontakte 18 werden durch die Betätigung einer Strorakreisunterbrecherspule 20 geöffnet, un den Stroinfluß zu unterbrechen. Es ist ein Transformator T rait Primärwicklungen 10p und 11p vorgesehen, die lait aen Leitern 10 und 11 entsprechend in Keihe geschaltet sind. Die Primärwicklungen 10p und lip können z.B. jeweils 20 Windungen aufweisen. Der Transformator T v/eist auch eine mit mehreren Windungen versehene Sekundärwicklung auf, die ebenfalls 2O ^indungen haben kann, so daß ein 1:1 Windungsverhältnis bei dem Transformator vorgesehen ist.

Die Primärwicklungen 19p und 11p sind gleichmäßig oder im Kompensationsverhältnis derart auf den Transforniatorkern gewickelt, daß sie bei einer Durchströraung mit einen 60üz Stro-r, gleich starke und entgegengesetzt gerichtete Kraftfelder in dem Kern erzeugen. Infolgedessen ist in den Kern kein 60 dz Kraftfeld vorhanden, venn -kein Fehler auftritt, und kein 60 Hz Signal wird in der Sekundan-'icklung 24 erzeugt.

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An die Yernrrucheranschl'.isse 14 und 15 der entsprechenden leiter kann ein Verbraucher 25 angeschlossen sein. Eur Sekurcrlrvrieklung 24 ist ein. Kondensator 26 parallel geschaltet, u~: e5.neii Schwingkreis zu bilden, der eine Resonanzfrequenz f besitzt, die z.3. in Bereich von 5-10 KrIz liegt. Eine Seite des Schwingkreises ist über Leitungen 31 und 32 und einen WiderstandR, an einen Ausgangs anschlug eines spannungsgaregelten Oszillators 35 angeschlossen, ccr eine? L se rl auf freoutmz f besitzt. Die andere Seite des SchwingV.reises ist an den gemeinsamen Anschluß der Gleiche troirrruelle 30 angeschlossen, die mit den Leitern 10 und 11 verbunden ist.

Der spannungsgeregelte Oszillator 35 'enthält eine phasen'ionstante Leitungsschleife mit einen Phasendetektor 36, einen Verstärker und einem Tiefpaßfilterkreis 37. Es können bei den Gegenstand der Erfindung verschiedene \usführungsformen des phasenkonstanten Leiterkreises vorqesehen sein. Beispielsweise wurde ein ir.teqrierter Schaltkreis verwendet, der von der Signetics Coro., Sunnyvale, California unter der Bezeichnung S^/Jh 565 verkauft wird. Dieser integrierte Schaltkreis und die phasenkonstante Leitungsschleife sind in der Seitschrift: Manufacturer's bulletin D41-1 LIN-023-110 10 M Äusga?»e Xover:.-ber 1970 beschrieben.

Der von der Sekundärwicklung 24 und de:a Kondensator 26 gebildete Schwingkreis ist ferner über die Leitungen 31 und 33 an einen hochverstärkencen Operationsverstärker 4O -mit einen SinganCTS'-'icerstand R₀ und einen Gegenkooplungsv^iderstand R-. angeschlossen. Der Operationgsverstärker 40 arbeitet als Fühlkreis, in eine Änderung der Größe des Oszillatorsionals in den Schvinakreis

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Der Ausgang des Operationsverstärkers 40 ist an ein Matz zur Phasendrehung 41 angeschlossen, welches das Eingangssignal, das cer.i Ausgange signal des Schwingkreises entspricht, um 90 dreht. Die Phasendrehung wird so ausgeführt, daß die an den Leitern 42 und 43 anliegenden Signale eine Phasenverschiebung um 90 aufweisen, was eine Voraussetzung für die äingangssignale für den in der pliasenkonstantcn Leitungsschleife enthaltenen Phasendetektor 36 ist.

Der /ausgang des Operationsverstärkers 40 ist ferner wie der Eingang an einen Steuerkreis zur Stronunterbrechung 45 angeschlossen, welcher wie ein bistabiler Kreis funktionieren kann, um in Abhängigkeit der gegebenen Größe des Ausgangssignals des Fühlkreises des Operationsverstärkers 40 von einen Betriebszustand in einen anderen Betriebszustand umzuschalten. Der Ausgang des Stromkreises zur Stromunterbrechung 45 ist 'an die Torelektrode eines Siliciuin-Gleichrichters angeschlossen. Während des normalen Betriebes, bei welcher kein Fehler 1Of oder llf an einer der Leitungen 10 oder 11 auftritt, erzeugt der Steuerkreis zur Stromunterbrechung kein Ausgangssignal oder, keiri Aus gangs signal einer ausreichend niedrigen Größe, so ca!3 der Silicium-Gleichrichter (SCR) in einem nichtleitenden Zustand bleibt. ^T<ienn durch den Silicium-Gleichrich-

ter (SCR) kein Strom fließt, dann fließt auch kein Strom durch die Stromkreisunterbrecherspule 20, und die Kontakte bleiben geschlossen, so daß die Energiequelle 13 mit den Verbraucheranschlüssen 14 und 15 in Verbindung steht. ^T=7enn der Steuerkreis zur Stromkreisunterbrechung 45 seinen zweiten Betriebszustand aufgrund eines von dem Fühlkreis 40 gemessenen. Fehlers einni-nmt, dann sorgt das Ausgangssicrnal für eine ausreichende Vorspannung an der Torelektrode des Silicium-Gleichrich ters·, so daß der Gleichrichter leitet und infolgedessen

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die Strorikreisuiiterbrecherspule 20 erregt und dafür sorgt, dci3 die Kontakte 13 geöffnet und die Ouelle 13 von den Verbrauchernnschlüssen 14 und 15 getrennt v/srdsn.

Bei der beschriebener Ausführung und Konstruktion des '.Transformators T besitzen die beiden Primärwicklungen 10p und lip mehrere Windungen gleicher Anzahl, und. die Sekund-irv/icklung 24 besitzt eins gleiche "λ in dunero zahl, so daß die 'iinäuncren im Verhältnis 1:1 stehen.

Das Winduncsverhältnis der Primärwicklungen 10p oder lip zar Wickluna 24 ist vorzugsweise 1, oder es kann z.3. einen anderen ^T\"ert aufweisen, der 2 .jedoch nicht übersteigt, damit sichercrestellt wii'd, daß ein an den Leitungen IO oder 11 auftretender unerwünschter rehler an den Schwingkreis als KopplunqsdMrapfung abgesc/ehen vird, die in bezug auf die Nenndär.rifuric' des Schwin CTk reis es niecria genug ist, una eine vesentliche .Änderung des Faktors Q des Schwingkreises hervorzurufen. Dies führt zu einer leicht meßbaren Änderung der Große des Sianals des Schwingkreises. Da die Orö.3e cer Dämpfung, die -von einer Wicklung 10p oder .1Ip an die -.vickluna 24 abgegeben v.'ird, eine Funktion des Quadrates des "indunasverhältnisses ist, sollte dieses Verhältnis klein crehalten werden, so daß ein an den heißen Leiter 10 auftretender Erdungsfehler von weniger als 25 k.,. auf jeden Fall eine neßbare Änderung des an den Schwingkreis anliegenden Sicnals herbeiführt. Bei dein, in der Fig. 1 dargestellten Schwingkreis beträcrt die Menndämpfung z.3. 8 bis IO k_/i_.

Um eine hohe MeSer.pfindlichke.it zu erzielen, ist es erwünscht, daß cer von der 3ekuncärwicklunn 24 und dem Kondensator 26 gebildete Schwingkreis einen relativ hohen o-?Jert von z,L·.

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wenigstens- 25 bis 5O aufweist. Das erfordert, daß das Kernr-vattrial des Transformators Ϊ einen relativ kleinen Verlust und bei der Oszillatorfreouenz dos Oszillators 35 eine relativ hohe Permeabilität aufweist. Materialbeispiele für den Kern sind Eisenwerkstoffe unter den Tvpenbezeichnunnen 3E3 und 3iJ2A, die von der Ferroxcube Corp., Semgerties, New York bezogen v/erden können.

Wenn man während des Betriebes des GFI-Kreises gemäß der Erfindung zunächst annimmt, daß kein Fehler an einera der Leiter' 10 oder 11 auftritt und daß an die Leiter ein Verbraucher 25 angeschlossen ist, dann fließen von der Stromquelle 13 gleiche 60 Hz Ströme in den Leitern IO und 11 zu dem Verbraucher 25 und von diesem ab. An der Sekundärwicklung 24 liegt kein 60 Hz Strom an, v/eil das Verhältnis zwischen den Primärwicklungen 10p und 11p ausgeglichen ist.

Die Leerlauffrequenz f des Oszillators 35 ist- die Resonanzfrequenz f des von der Hicklunσ 24 und dem Kondensator 26 gebildeten Schwinakreises. Im ausgeglichenen Zustand, der durch die identischen ausgeglichenen Primärwicklungen 10p und 11p hervorgerufen wird, weisen die Leiter 10 und 11 gegenüber den Schwingkreis eine in wesentlichen unendliche Dämnfung auf und üben auf den Schwingkreis keinen Einfluß aus. Ebenso fließt in den Leitern 10 und 11 ein Oszillatorstrom. Aus diesem Grunde liegt das Sianal in den Schwinckreis mit dem Ausgangssignal des Oszillators 35 in Phase und die Größe des Signals i.^ Schwingkreis nimmt einen optimalen T'-^Tert ein. Das Ausgangssignal des Schwingkreises liegt mittels des Leiters 31 an Fühlkreis an, der den Operationsverstärker 40 aufweist, cer als hochverstärkender Umkehrverstrrker dargestellt ist. Das /■vusgangssignal des Flililkreises 4O wird durch das Hetz zur Phasendrehung

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41 geleitet, in welche::·, das Signal eine Phasendrehung um erführt. Das σρ.ν/andcl te Si cm al vrircl über den Leiter 42 zu aera zv/eiten Hingang den Phasenc.etek-tors 36 geleitet, wobei es gegenüber de:a O.iziiLlatorausgangssianal, das am Leiter 4 3 anliegt, um 9O phasenverschoben ist- V7eil das Oszillatorausgangssigniil und das Signal im Schwingkreis ein geeignetes und gewünschte.'; Phasenverhältnis in den angenommenen -Jetriebszustarid aufweisen, ist das Ausnancjssignal des Phasendetektors 36 gleich Null, und von dem Verstärker und derc Tiefpaßfilterkreis 37 wird kein Freauenzabgleichst crna 1 zu c^ta spannungsgeregelten Oszillator 35 zurückgcleitet. Der Oszillator 35 schwingt daher mit der Resonanzfrequenz f des Scht-.'inrkraises v;eiter.

Das von dem Kreis 40 ger-essene Sicmal v;ird ebenfalls zum Steuerkreis zur Stroir-unterbrechung 4 5 geleitet, der in Alohängigkeit von der.i Sicnal arbeitet und kein Aus gangs signal oder nur ein sehr schwaches Ausgangssignal an die Torelektrode des Siliciunv-Gleichrichters abgibt, so öa.3 der Gleichrichter in seinen nichtleitender Zustand verbleibt. Die S trorak reis unterbrecherspule 20 wird daher nicht erregt, so daß die Stromkreisunterbrecherkontakte 18 in ihrer normalen Schließlage und infolaeÖGssen eic ^nergieauelle 13 Tait den Verbraucheranschlüssen 14 und 15 verbunden bleiben.

VJeiin man nun anninnt, daß ein Fehler llf oder Hf an einein

der Leiter 10 und/oder II auftritt, dann sind die Leiter gegenüber dem Schwingkreis nicht rrehr ausgeglichen und bilden insofern keinen unendlich großen Verbraucher mehr, iliramfc man z.B. an, daß der neutrale Leiter 11 geerdet ist, so daß eine Endiripedanz auftritt, die z.B. 4 Ohn oder weniger als 4 Ohm beträft, dann wird diese Ir.ipecanz zun Schwingkreis als eine

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Parallelirapedanz zurücktransforiniert, ν/oh ei die sich ergehende Impedanz des ScIr-ing] χ-eises erheblich verringert wird und wo- . bei cie Größe des Oszillatorsignals in dera Schwingkreis erheblich abninmt. Unter der Annahme, daß d^raa neutralen Leiter 11 auftretende Srdungsfehler Hf ein Ohm¹scher Fehler ist, ist die zum Schwingkreis zurückgeleitet Impedanz in wesentlichen ebenfalls ohmisch, so daß die Resonanzfrequenz f des Schwingkreises ±ra wesentlichen unverändert bleibt.

Die Änderung in der Größe des Oszillatorsignales ira Schwingkreis wird von dem Fühlkreis 40 gemessen. Das Eingangssignal des Steüerkreises zur Stromunterbrechung 45 ändert sich nun wesentlich, so daß- der Stromkreis augenblicklich seinen zweiten Betriebszustand einnimmt, in welchem an der Torelektrode des Rilicium-Gleichrichters eine Vorspannung ausreichender Größe anlieat, so daß der Gleichrichter leitend wird. Durch die Leitung des Silicium-Gleichrichters wird die Stromkreisunterbrechersmile 20 erregt, und die Kontakte 18 öffnen sich, um die Quelle 13 von den Verbraucheranschlüssen 14 und 15 zu trennen.

Der in der Fig.l dargestellte Stromkreis ist so zusammengestellt und äie Parameter sind so gewählt, daß die vorbeschriebene Funktion des Stromkreises im wesentlichen in-gleicher Weise abläuft, wenn ein Kröungsfehler 1Of am heißen Leiter IO auftritt und einen oh-m'sehen Wert aufweist, der kleiner ist als Z.B. eine vorbestimmte Größe von 25 k-»"^ . Wenn jedoch der Widerstandswert der Fehler 1Of oder Hf den vorbestimmten Wert von 25 k-"i- überschreitet, dann sind die Parameter des Stromkreises nach Fig.l derart, daß die Änderung des Q-Faktors des Schwinokrsises unwesentlich ist und die Änderung des Aus-

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gangssignals des Fühlkreises 40 nicht ausreichend groß genug ist, um eine Unstellunrr des Steuerkreises zur Stromuntorbrechung 45 in seinen zweiten Betriebszustand zu bewirken. Infolgedessen wird die Stronkreisunterbrecherspule 20 nicht erregt, wenn der Widerstandswert eines Fehlers 1Of oder Hf den vorbestimmten Wert 25 k.A» übersteigt. Dieser Wert entspricht zur Zeit den durch die Inrlustrienorm festgesetzten Wert.

Wenn lvan nun annimmt, daß ein an den Leitungsleitern 10 oder 11 auftretender Fehler einen Widerstandswert aufweist, der größer als die vorgenannten Werte der entsprechenden Leiter ist, jedoch eine Kapazität von kleiner als 0,015 /UF aufweist, dann läuft die Punktion des Stromkreises folgendermaßen ab. Die kapazitive Ladung eines Leiters wird über den Transformator T an den parallelen Stromkreis mit dem aus der Wicklung 24 und dem Kondensator 26 gebildeten Schwingkreis abgegeben. Der Gesantwiderstand des Schwingkreises verändert sich nun derart, daß die Resonanzfreauenz des Stromkreises einen neuen Wert f · annimmt. Weil die Frequenz des Oszillators 35 am Anfang f anstatt f ' ist, gibt der Schwingkreis seine Resonanzfrequenz auf, und die Siqnalgröße in dem Schwingkreis neigt dazu, sich zu verringern. Außerdem ändert sich die Phase des Signales in dem Schwingkreis in Abhängigkeit zum Ausgangssignal des Oszillators 35. Bei diesem Betriebszustand v/eisen die an. den Leitern 4 2 unö 43 anliegenden Signale gegenüber dein Eingang des Phasendetektors 36 nicht länger ein bestimmtes Phasenverhältnis auf, so daß von dem Phasendetektor· 36 ein Ausganassignal erzeugt wird. Dieses Signal wird verstärkt und im Stromki'eis 37 gefiltert und zum spannunosgeregelten Oszillator 35 zurückgeleitet, so daß es seine Schwingungsfrequenz in eine neue Frequenz f ' ändert und dadurch die Ausgangssparinunc dos Schwingkreises auf die neue Resonanzfreaucns f ' des

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Schwingkreisen bringt und die Größe des Signales in ecm Schwingkreis auf der. .Tenrr/ert eines fehlerfreien Sustandes hält. Bei eineir· solchen 3etrieb ist der Fühlkreis 40 nicht in der Lage, den kapazitiven Fehler zu erfassen, der nun am Ausgang erscheint.

Ein besonderes Merkmal des er findungs gernäß en .Stromkreises be-· steht darin, daß dieser irv der Lacre ist, einen unerwünschten Erdungsfehler zu erfassen, der entweder ander« heißän Leiter 10 oder an dem neutralen Leiter 11 auftritt. Diesel* Vorteil wird im Gegensatz zu vielen vorbekannten Stromkreisen durch den Gebrauch nur eines einzigen Transformators· erzielt, während die vorbekannten Stromkreise den Einsatz von zwei Transformatoren erfordern, damit die entsprechenden Fehler an den beiden Leitern erfaßt v/erden. Außerdem- mu.8 ein Verbraucher nicht an die beiden Verbraucheranschlüsse 14 und 15 angeschlossen sein, damit der GFI-Stromkreis gemäß der Erfindung arbeitet. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, PrüfStromkreise vorzusehen, die einen Teil eines". Grund-GFI-Stromkreises bilden.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungen wird angenommen, daß die Stromkreisunterbrechervorrichtung normalerweise von einer in ihrem Schließzustand von Hand einschaltbaren und wieder einschaltbaren Einrichtung gebildet wird. Es versteht sich, daß die Hinrichtung zur Unterbrechung des Stromes von einen. Halterelais gebildet sein kann, falls dies erwünscht ist, dessen Kontakte in der Schließlaae gehalten werden, wenn kein Fehlerzustand auftritt, so daß der Stronfluß in den Leitern 10 und 11 nicht unterbrochen wird. Kenn an einem der Leiter ein unerwünschter Fehler auftritt, dann wird der Haltestron für das Relais unterbrochen, so daß dieses seine Kontakte öffnen

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kann. Bei einer solchen Anordnung arbeitet der Steuerkreis zur Stromunterbrechuncr 45 entgegengesetzt/ wie dies vorher beschrieben wurde.

Ein anderer GFI-Strongreis geinäß der Erfindung ist in vereinfachter Form in der Fig.2 dargestellt. Dieser Stromkreis arbeitet ähnlich wie der Stromkreis gemäß Fig.l in Abhängigkeit von ohnschen Erdungsfehlern 1Of und llf, jedoch etwas anders in Abhängigkeit von einen Erdungsfehler, der überv/iegend kapazitiver Art ist und einen Wert aufweist, der kleiner oder gleich dem vorbekannten Wert von O,O15.uF ist. Die Konstruktion und Funktionsweise des Stromkreises nach Fig.2 soll daher in allen Einzelheiten nur hinsichtlich eines kapazitiven E rdungs fehle rs beschrieben v/erden, der den vorgenannten Wert aufweist.

In der Fig.2 sind die Energiequelle 13, die Leitungen IO und 11, der Stroinkreisunterbrecher 18, der Transformator T, die Verbraucheranschlüsse 14 und 15, der Verbraucher 25, die Gleichstromauelle 30, die Stromkreisunterbrecherspule 20 und der Silicium-Gleichrichter mit dem Steuerkreis 45 die gleichen Bauteile, die in Verbindung mit der Fig.l bereits beschrieben wurden. Außerdem ist der aus der Wicklung 24 und dem Kondensator 26 gebildete Schwingkreis bereits in der Fig.l dargestellt und besitzt eine Ilennresonansfrequenz f_Q.

Bei dem in der Fig.2 dargestellten Ausfährungsbeispiel der Erfindung ist der Oszillator 35' nicht ein spannungsgeregelter Oszillator wie in der Fig.l, sondern ein Oszillator mit einer konstanten Frequenz, der ein Ausgangssignal mit der Treauenz f erzeugt. Das Ausgangssignal des Oszillators 35' wird über den "iiderstand R,, die Leiter 32 unö 31 zu dem

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von der '--ickluiirr 24 und den. Kondensator 26 gebildeter. Schwingkreis celeitot. ras'in den Schwingkreis vorhandene Oszillatorsignal wird über die Leitungen 31 und 33 zur Trennstufe 61 geleitet und dann zur; Fühlkreis 4Q, der den nit de:n gleichen Eezugszeichen der Fig.l bezeichneten Fühlkreis entsprechen kann.

Der Phasendetektor 36 erhält die Einqanqssiynale' von den Leitungen 42 und 43, die entsprechend von dem Oszillatorsignal in dem Schwingkreis und von dem Ausgangssignal des Oszillators 35" gebildet werden. Das Hetz zur Phasendrehung 41 bewirkt ein gewünschtes Phasenverhältnis zwischen den Eingangssignalen/ "vie dies in Verbin dun σ mit dem Netz zur Phasendrehung gemäß Pig.1 beschrieben wurde. Der Verstärker mit dem Tiefpaßfilterkreis .37 erhält das Aus gan as sign al vorn Phasendetektor- 36 und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssicmal, welches zu dem von der Spannuna gesteuerten Widerstand (VCR) 6 5 geleitet wird.

Die aus der Leitung 33, der Trennstufe 61, der Leitung 62, den Operationsverstärker 63 mit seinem Gegenkopplungsv/iderstand VCR 65 und dem Kondensator C, gebildete Schleifenschaltung bildet einen aktiven Schaltkreis, der gecrenüber dem aus der Wicklung 24 und dem Kondensator 26 gebildeten Schwingkreis eine negative Kapazität aufweist. Der V7ert der negativen Kapazität, der durch die aktive Schleifenschaltung hervorgerufen X-ZXJTd, ist eine Funktion der Verstärkung des Operationsverstärkers 6 3 und damit eine Funktion der Größe des Widerstandes 65. Der spannungsgesteuerte Widerstand kann ein F3T Transistor des Typs VCR2K oder VCR3P sein, der von der Siliconix Inc.Santa Clara, Kalifornien bezogen v?erden kann. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 6 3 und danit die

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Größe dor negativen PCanazität der aktiven S chlei fens chal tung niinrat zu, wenn dar I7ert des ^T-7iderstand?.s VCR 65 zunirant.

Die Punktion des Schaltkreises nach Fig.2 soll nun beschrieben werden, um zu erklären, wie ein vollständig kapazitiver Fehler, der annähernd gleich oder kleiner als 0,015 uF ist, ohne Beachtung bleibt. Der auf der Sekundarseite des Transformators T befindliche Schwingkreis wird von dem Ausgangssignal des Oszillators 35' mit der Freauenz f erregt. Wenn der Schwingkreis keiner Belastung ausgesetzt ist, dann ist das Signal im Schaltkreis mit den von dera Oszillator 35' abgege?oenen Signal in Phase. Wenn jedoch ein beachtlicher rein kapazitiver ErdvuivJsfehier lof oder Hf über den Transformator T in den parallel abschalteten, von der Wicklung 24 und dem Kondensator 26 gebildeten Schwingkreis geleitet wird, dann ändert sich die Frequenz des Schwingkreises, und es erfolgt eine Phasenverschiebung zwischen dera Signal im Schwingkreis und dein Ausgangssignal des Oszillators 35'. Diese beiden Signale werden als Eingänge zum Phasendetektor· 36 geleitet, und da die Eingangssignale nun kein geeignetes Phasenverhältnis aufweisen, erzeugt der Phasendetektor 36 ein Fehler- oder Abgleichssignal, das in den Tiefpaßfilterkreis 37 verstärkt und gefiltert und dann als Kontrollsignal zu dem Gegenkopplungswiderstand VCR 65 geleitet wird. In Abhängigkeit von dem an Eingang des Gegenkopplungswiderstandes VCR 65 anliegenden Abgleichssir-cnel ändert sich der Widerstand derart, daß die Verstärkung der aktiven Schleifenschaltung verändert wird, so daß die von der aktiven Schleiferschaltung an den Schwingkreis abgegebene negative Kapazität im wesentlichen gleich oder entgegengesetzt der Kapazität ist, die durch den Transformator T von einer, oder beiden Leitungen 10 unc/oder 11 abgegeben wird. Die bei-

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den gehoppelten Kapazitäten heben, sich daher auf und bringen den Gesamtv/i Verstand des Schwingkreises- in wesentlichen auf seinen Nennwert. Daher befindet sich der Schwingkreis annähernd bei der Frequenz f in Resonanz, und das Oszillatorsignal des Schwing3;reises v/eist annähernd das gewünschte Phasenverhältnis zum Zvusgangssicjnal des Oszillators 35' auf. Wenn dieses Phasenverhältnis zwischen den beiden E in gangs si g*- nalen am Phasendetektor 36 auftritt, dann steuert sein /ausgangs signal den Gegcnkopplungswiderstand VCR 65 derart, daß die Verstärkung der aktiven Schleifenschaltung auf dem erforderlichen Wert gehalten wird, bei welchem eine negative Kapazität vorliegt, die die Fehlerkapazität im v/esentlichen aufhebt. Es wird daher ein stabilisierter Abgleichszustand erzeugt, und die Größe des Schwint/kreissignales ändert sich nicht wesentlich gegenüber der Signalgröße ohne Fehler. Infolgedessen ändert sich das Ausgangssignal'des Fühlkreises nicht so wesentlich, 'un zu bewirken, daß der Steuerkreis zur Stromunterbrechung 45 seinen zweiten Betriebszustand einnimit. Die Stronkreisunterbrecherspule 20 bleibt daher unerregt, und die Kontakte 18 bleiben geschlossen.

Wenn der Wert des. kapazitiven Fehlers annähernd 0,015 _;uF überschreitet, dann kann die aktive Schleifenschaltung einschließlich des Operationsverstärkers 63 nicht länger eine negative Kapazität erzeugen, die die Fehlerkapazität ausgleicht. Der Schwingkreis ändert nun seine Resonanzfrequenz, und die Größe seines Ausgangssignals ändert sich erheblich, so aaß der Steuerkreis zur Stromunterbrechung 4 5 anspricht und den Siliciuin-Gleichrichter leitend macht. Die Spule 2O wird erregt und öffnet die Kontakte 18, so daß die Verbindung zwischen der Energiequelle 13 und den-Verbraucher unterbrochen wird.

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Ji

Es sei darauf hingewiesen# daß die Funktion des Schaltkreises nicht davon abhängig ist, v/elcher der Leiter IO oder 11 einen Lirdungs fehler aufweist. Bei. einen unsachgemäß angeschlossenen Hausnetzsvstem, bei welchen der heiße und der neutrale Leiter z.B. von einem Elektriker nicht richtig angeschlossen sind, ergiht sieb, durch den falschen Anschluß kein Einfluß auf die Funktion des Schaltkreises.

Aufgrund der vorstehenden Ausführungen ist zu erkennen, de\ß die GFI-Schaltkreise genäß der Fig.l und 2 einen selbsttätigen Abgleich gegenüber den Stromleitungen bewirken, welche dadurch überwacht werden, daß ungleiche kapazitive Leituncrsladungen unterhalb eines vorgegebenen I¹Jertes abgeglichen werden. Dadurch werden ein Fehler in der Funktion der GFI-Schaltkreise vermieden und ihr praktischer Gebrauch verbessert.

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Claims

Patentansprüche

1.!Elektrischer Schaltkreis mit wenigstens zwei strorafuhren-" den Leitern zuto. Anschluß eines Verbrauchers an e.ine Enex-gieauelle, v/ob ei ein Leiter über die Energiequelle■gseräet ist und der andere Leiter ein Potential cjegenüber der 3rde aufv/eist, wit einer Einrichtung, die eine an v/enigstens einer/ Leiter auftretende Fehlleitung zur Erde erfaßt und die Stromversorgung von der Energieouelle in Abhängigkeit von dem Fehler unterbricht/ dadurch gek enn ζ ei ch net, daß in wenigstens einen Leiter (10,11) eine Stronvunterbrechereinrichtung (18) vorgesehen ist, die zwischen einem Stroro leitenden und einem Stron unterbrechenden Zustand schaltbar ist, daß ein induktiv mit den Leitern verbundener Schwinokreis (24,26) vorgesehen ist, an den ein Oszillator (35) angeschlossen ist, der den Schv/ir.gkreis mit einer.» Oszillatorsignal erregt, vrelches eine größere Freauenz hat als die Freauenz des in den Leitern fließenden Stromes, so daß sich der Schv/ingkreis mit der'Stromquelle nicht in Resonanz befindet, daß der Sch-.-;ir.ckreis derart geschaltet ist, daß er ein Sional einer erster. Größe aufweist, wenn in deia einen oder anderen Leiter kein Erdungsfehler auftritt, und ein Signal einer anaeren Größe aufweist, wenn an den einen oder anderen Leiter ein unterhalb einer bestimmten ohmschen Größe liegender Erduncsfehler auftritt, daß an den Schwingkreis eine einrichtung

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(40,4:3) ancfoschlor.son ist, die den Stronkreisunterbrccher (2O, SC?., 18) betätigt, um den Stromfluß zu unterbrechen, wenn sich die Signuldaten des Schwingkreises gegenüber äera vorgegebenen ersten Signalwcrt amisrn, und daß eine auf das Schwingkreissignal ansprechende Einrichtung (3G,37) vorgesehen ist, die dafür sorgt, daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und die Frequenz des Oszillatorausgangssignals im wesentlichen gleich sind.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei c hn e t , daß die auf das Schwingkreissignal ansprechende Einrichtung eine Vergleichseinrichtung (40) aufweist, die das Schwingkreissignal und das Ausgangssicrnal des Oszillators (35) vergleicht und ein Abgleichssignal erzeugt, dessen Größe eine Funktion des Phasenverhältnisses zwischen öen verglichenen Sianalen ist, und daß eine auf das Abgleichssignal ansprechende Einrichtung vorgesehen ist, die dafür sorgt, daß die Frecruenz des Oszillatorausgangssignales und die Posonanzfrsauenz des Schwingkreises im wesentlichen gleich sind.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator ein frequenzabhängiger Oszilla-.tor ist und daß cie. auf das Schwingkreis signal ansprechende Einrichtung eine phasenkonstante Leitungsschleife aufr v/eist, die das Schi/inakreissignal mit dem Oszillatorausgangssianal vergleicht und ein Abgleichssignal erzeugt, dessen Wert eine Funktion des Phasenverhältnisses der verglichenen Signale ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die den Oszillator das -\bgleichssignal zuführt und dafür sorgt, daß die Freauenz des Oszillatorauggangs-

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signals in wesentlichen der Resonanzfreemenζ des Schwingkreises entspricht.

4. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ~ zeichnet , daß die auf das S chwingkreis signal ansprechende Einrichtung eine aktive Schlei fens ch al tune/ aufweist, die an den Schwingkreis einen negativen Kapcizitätswert abgibt, daß in der aktiven Schlei fens chaltung Einrichtungen vorgesehen sind, die auf ein Abgleichssignal ansprechen, um den Wert der negativen Kapazität als Funktion der Größe des Abgleichssignales zu ändern, daß die auf das Schwingkreissignal ansprechende Einrichtung ferner eine Vergleichseinrichtung aufweist, die das OszilJ torausgangssignal mit den Schwingkreissignal vergleicht und in Abhängigkeit davon das Abaleichssignal erzeugt dessen Wert eine Funktion des Phasenverhältnisses zwischen den verglichenen Signalen ist, und daß die aktive, auf das Abgleichssignal ansprechende Schleifenschaltung eine negative Kapazität erzeugt, die dafür sorgt, daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises in wesentlichen der FrecTuenz des Oszillators entspricht.

5. Schwingkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwingkreis induktiv über einen Transformator(T) mit den Leitern (10,11) verbunden ist, da.3 der Transformator eine erste Wicklung- (10p) und eine zweite Wicklung (lip) mit jeweils mehreren >Jindunc:er. aufv;eist, die entsprechend an die beiden Leiter angeschlossen sind, und eine dritte Wicklung (2 4) mit mehreren Windungen, die einen Teil des Schwingkreises bildet, und daß die Wicklungen um einen Kern aus magnetischem

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Material hcrun\oc\-?i ekelt sind, dor bei dar Frequenz des Oszillators einen relativ kleinen Widerstand und eine relativ hohe Permeabilität aufweint.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Windungen zwischen den Windungen der ersten Wicklung oder den Windungen der zweiten Wicklung und den Windunc;en der dritten Wicklung den Annäherungswert 2 nicht überschreitet.

7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis 1 ist.

8. Elektrischer Schaltkreis mit wenigstens zwei stromführenden Leitern zum Anschluß eines Verbrauchers an eine 3nergieauelle, wobei ein Leiter über die Energieauelle geerdet ist und der andere Leiter ein Potential gegenüber der Erde aufweist, mit einer Einrichtung, cie eine an wenigstens einem Leiter auftretende Fehlleitung zur lürde erfaßt und die Stromversorgung, von der Energieauelle in Abhängigkeit von aera Fehler unterbricht, dadurch gekennzeichnet , daß in wenigstens einen Leiter (10,11) eine Stroraunterbrechereinrichtung (18) vorgesehen ist, die zwischen einem Strom leitenden und einera Strom unterbrechenden Zustand schaltbar ist, üa.ß jeweils mit den beiden Leitern eine erste und eine zweite Transforiratorwicklung (1Op₇IIp) mit mehreren Windungen in Reihe geschaltet sind, wobei die Wicklungen in abgeglichenen Verhältnissen auf den Transformator gewickelt sind, daß mit der ersten und der zweiten Wicklung eine dritte Wicklung (24) mit mehrerer ^indungen induktiv gekoppelt ist, nit

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welcher ein Schaltkreis verbunden ist, der einen Schvringkreis mit einer -l-.cnnrGsonanzfrcaucnz bildet, an den ein Oszillator (35) enweschlossen ist, der den Schwingkreis mit einem Oszillatorausgangssignal· erregt, welches eine größere Frequenz hat als die Frequenz des in den Leitern fließenden Stromes, so daß sich der Schwing};reis mit der Stroromielle nicht in Resonanz befindet, daß der Schwingkreis derart geschaltet j.st, daß er ein Signal einer ersten Größe aufweist', wenn in den einen oder anderen Leiter kein Erdungsfehler auftritt, und ein Signal einer anderen Größe aufweist, wenn an dein einen oder anderen Leiter ein unterhalb einer bestimmten ohraschen Größe liegender Erdungsfehler auftritt, daß an den Schwingkreis eine Einrichtung (40,45) angeschlossen ist, die den Stronikreisunterbrecher (20 SCR,18) betätigt, um den Stromfluß zu unterbrechen, wenn sich die Signaldaten des Schwingkreises gegenüber dem vorgegebenen ersten Siqnalwert ändern, und daß eine auf das Oszillatorausganqssiqnäl und das Schv/ingkreissignal alisprechende Einrichtung (36,37) vorgesehen ist, die dafür sorgt, daß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und die Frequenz des Oszillatorausgangssignals im wesentlichen gleich sind.

9. Schaltkreis na.ch Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die erste und die zweite Wicklung (10p,11p) in ausgeglichenen Verhältnis gewickelt sind.

10. Schaltkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die auf das Ausgangssignal des ■ Oszillators (35) und das Schwingkreissignal (24,26) ansprechende Einrichtung eine Vergleichseinrichtung (40)

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aufweist, die die Phasen eier beiden Signale miteinander vergleicht uno ein Abgleichssignal erzeugt, dessen Größe eine Funktion des Phasenverhältnisses zwischen den verglichenen Signalen ist.

11. Schaltkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Oszillator ein frequenzabhängiger Oszillator ist, und daß die auf das AuKqiingssigmil des Oszillators und das Schwingkreissignal ansprechende Einrichtung Mittel aufweist, die das Abgleichssignal zu cera Oszillator leiten, um die Qszillatorfreauenz zu ändern und ein bestirntes Phasenverhältnis zwischen den verglichenen Signalen aufrecht zu erhalten.

12. Schaltkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, da3 die auf das Ausgangssignal des Oszillators und das S chv/ingkreis signal ansprechende Jinrichtunq eine aktive Schleifenschaltung aufweist, die an den Schwingkreis einen negativen Kapazitätswert abgibt, öaß in der aktiven Schleifenschaltung Einrichtungen vorgesehen sind, die auf ein Abqleichssignal ansprechen, un cen ^T7ert der negativen Kapazität als Funktion der Größe des Abgleichssignals zu ändern, so daß ein bestimmtes Phasenverhältnis zwischen den verglichenen Signalen aufrecht erhalten wird.

13. Elektrischer Schaltkreis mit wenigstens zwei stronfUhrenden Leitern, zum Anschluß eines Verbrauchers an eine Enercrieauellc, wobei ein Leiter über die Energiequelle geerdet ist und der andere Leiter ein Potential gegenüber

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der Erde aufweist, mit einer JJinrichtunq, die eine an wenicfnfccii-B oimcx Leiter auftretende Fehlloi tuna zur IJrcle erfaßt und die Stronversorqung von dcj: .energiequelle in /ibhäncrigkeit von deia Fehler unterbricht, ö?durch gekennzeichnet , daß in wenigstens einen Leiter (10,11) eine Stror.mnterbrechereinrichtung (18) vorgesehen ist, die zwischen einen Strom leitenden und einen Stron unterbrechenden Zustand schaltbar ist, daß jeweils mit den beiden Leitern eine erste und eine zweite Transformatorwicklung (ΙΟρ,ΙΙη) mit mehreren Windungen in Reihe gor;ehaltet sind, wobei .die Wicklungen in abgeglichenen Verhältnis auf den Transformator gewickelt sind, daß mit der ersten und der zweiten Wicklung eine dritte Wicklung (24) mit mehreren Windungen induktiv gekoppelt ist, mit welcher ein Schaltkreis verbunden ist, der einen Schwingkreis mit einer ?3ennresonanzf renuenz (f ) bildet, daß ein frequenzabh^ngiger Oszillator (35) mit einer Leerlauf frequenz (f ) vorgesehen ist, sowie eine Einrichtung, mit weIcher der Oszillator an den Schwingkreis (24,26) angeschlossen ist, um diesen mit den Oszillatorausgangssignal zu erregen, daß eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die die Phase des Ausgangssignals des Oszillators mit der Phase des Schvringkreissignals vergleicht und ein Abqleichssig-nal erzeugt, dessen I-iert eine Funktion des Ph as en Verhältnisses zwischen cen verglichenen Signalen ist, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Abgleichssignal zu den freauenzabhängigen Oszillator leitet, um die Oszillatorfreauenz zu verändern, damit ein bestimmtes Verhältnis zwischen den verglichenen Signalen erhalten bleibt, daß eine Einrichtung (40) zur Erfassung der Größe des Schwingkreissianales und zur Erzeugung eines Meßsignals vorgese-

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hon ist, G'^.sen Größe eine Funktion do^c: Schv/incikrojissi'jnri] ist, und ciaß eine Einrichtung (45) vorgesehen ist, die in /.bhänqi rrVcit. von cera Meßsianal bc't'*itig;;cxr ist, ura die Stronuntarbrechervorrichtung (20,13) zu erregen, v.'enn sich das Heßsignal in vorbestinimter Weise ändert.

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