DE2427920A1

DE2427920A1 - Schaltung zur feststellung sowohl von erdleiter- als auch von nulleiterfehlern

Info

Publication number: DE2427920A1
Application number: DE19742427920
Authority: DE
Inventors: Harold Allen Wittlinger
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-06-11
Filing date: 1974-06-10
Publication date: 1975-01-02
Also published as: JPS5035646A; IT1010294B; FR2232855A1; FR2232855B1; NL7407470A; SE7407451L; AU6982674A

Description

768O-7²*

RCA Corporation New York, N.Y., V.St.A.

Schaltung zur Peststellung sowohl von Erdleiter- als auch von

Nulleiterfehlern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Feststellung sowohl von Erdleiter- als auch von Nulleiterfehlern in einem

j Wechselstrom-Versorgungssystem zur Vermeidung von Berührungs-' Schädigungen durch Personen.

Viele übliche Wechselstromverbraucher ergeben mögliche Berührungsgefahren für deren Benutzer. Aus diesem Grund-galten erhebliche Aufwendungen der Entwicklung von Schaltungen und Vorrichtungen für den Verbraucherschutz. Diese bekannten Schaltungen und Vorrichtungen beschäftigen sieh mit dem Schutz vor .Erdleiterfehlern.

Gegenwärtig weisen die meisten einphasigen Wechselstromanschlüsse drei Kontaktstellen auf, die mit einem Potentialleiter, einem Nulleiter bzw. einem Erdleiter verbunden sind. Der Verbraucher wie etwa der Motor einer elektrischen Bohrmaschine hat einen Stecker mit drei Kontaktstellen. Zwei dieser Kontaktstellen · dienen dem Anschluß des Bohrermotors zwischen dem Potentialleiter und dem Nulleiter, während die dritte Kontaktstelle der Verbindung des Bohrergehäuses mit dem Erdleiter dient. Ein Erdlei-

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terfehler entsteht dann, wenn aufgrund unvorhergesehener Umstände wie etwa eines Isolationsdurchbruchs der Potentialleiter über einen niedrigen Widerstand mit dem Erdleiter Verbindung erhält. Sofern dieser niedrige Widerstand ein menschlicher Körper ist, tritt für die betreffende Person eine erhebliche Gefährdung auf.

Es ist bekannt (USA-PS 3 668 k69), den Zustand des fehlerhaften Erdleiters zu entdecken und dann den Strom zum Verbraucher abzuschalten, wodurch die Gefahr für den Benutzer beendet ist. Viele bekannte Schaltungen bauen darauf auf, daß die Stromzufuhr abgeschaltet' wird, wenn ein gegebener Stromunterschied zwischen demj Potentialleiter und dem Nulleiter festgestellt wird. Dieser { Stromunterschied kann immerhin beispielsweise 5 mA betragen. j

Mit den bekannten Möglichkeiten treten jedoch Probleme auf, wenn ein Nulleiterfehler auftritt. Ein Nulleiterfehler liegt vor, wenn der Nulleiter über einen niedrigen Widerstand mit dem Erdleiter verbunden wird. Hierbei kann immer noch ein gewisser Stromrückfluß über den Nulleiter zur-Stromquelle erfolgen und gleichzeitig ein Strom durch den Erdleiter fließen. Es ergibt sich also unter Umständen kein ausreichend hoher Unterschied des Stromflusses zwischen dem Potentialleiter und dem Nulleiter, um die Stromzufuhr abzuschalten, und eine durch das Berühren des Chasis oder Gehäuses des Geräts mit dem Erdleiter verbundene Person kann weiterhin mit ihrem Körper im Stromkreis liegen. Es besteht also Bedarf nach einer Schaltung oder einem Gerät, das den Benutzer des Wechselstromverbrauchers durch Stromabschalten sowohl bei Erdleiterfehlern als auch bei Nulle it er fehlem schützt.

Zur Peststellung von Nulleiterfehlern kann eine Transformatorwicklung aus einer einzelnen Windung in den Nulleiter gelegt werden, um während des Betriebs der Stromversorgung ein kleines Signal in der Wicklung zu erzeugen. Dieses induzierte Signal wird auf plötzliche Änderungen überwacht, die das Auftreten eines Nulleiterfehlers anzeigen können. Hierbei tritt jedoch das Pro-,

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blem auf, daß bei vielen Anwendungen ein vorübergehendes Stoßsignal auftreten kann, das von gleicher Größe und entgegengesetzter Phase wie das im übrigen an der einen Windung erzeugte Signal ist und das zu einer Auslöschung des erzeugten Signals führt, wodurch die Wirksamkeit einer solchen Schaltung zur Nullleiterfehlerfeststellung aufgehoben wird.

Die Erfindung schafft eine Schältung, die sowohl Erdleiterfehler als auch Nulleiterfehler feststellt und den Stromfluß zum Verbraucher bei einer Fehlerentdeckung unterbricht, während die Probleme des Stands der Technik wie etwa das beschriebene Signalauslöschungsproblem vermieden werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Peststellen · von Nulleiterfehlern und Erdleiterfehlern in Wechselstromversorgungssystemen, die aus dem, beschriebenen Potentialleiter, dem Nulleiter und dem Erdleiter bestehen. Die Fehlerfeststellschaltung bewirkt eine Stromabschaltung auf das Auftreten des beschriebenen Fehlerzustande hin.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Schaltung einen ersten und einen zweiten Leiter, die mit dem Potentialleiter bzw. mit dem Nulleiter des Wechselstromversorgungs.-systems verbunden sind; einen Signalgenerator, der am ersten oder am zweiten dieser Leiter ein Signal gegebener Frequenz erzeugt; eine auf den Stromfluß durch den ersten und den zweiten dieser. Leiter ansprechende überwachungseinrichtung, die ein Steuersignal abgibt, wenn der Strom durch den Erdleiter ungleich dem Strom im zweiten Leiter aufgrund des Auftretens entweder eines Erdleiterfehlers oder eines Nulleiterfehlers ist; und-einen auf das Steuersignal ansprechenden Signaldetektor, der den Stromfluß aus dem System durch den ersten und den zweiten Leiter abschaltet»

Die erfindungsgemäße Schaltung kann, was zu bevorzugen ist, in

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derselben Wand-Steckdose angeordnet sein, die die elektrischen Anschlüsse beherbergt, wie sie in Häusern, Fabriken und dergl. ' angetroffen werden. Die besondere Installation stellt dann einen Teil des betreffenden Stromversorungssystems dar, da der ; Potentialleiter, der Nulleiter und der Erdleiter alle an jeder elektrischen Wand-Steckdose herausgeführt sind..

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die einzige Figur j zeigt einen teilweise in Blockform dargestellten Schaltplan der erfindungsgemäßen Schaltung. ' !

Ein Wechselstromversorgungssystem, beispielsweise eine Haus- oder; Fabrikinstallation, umfaßt einen Spannungs- oder Potentialleiter | 10, einen Nulleiter 12 und einen Erdleiter 14 bzw. Sammelschienen hierfür. Diese Leiter 10, 12 und 14 sind an einer elektrischen Anschlußdose 16 herausgeführt, die eine Fehlerfeststell- und Schutzschaltung 18 enthält. Der Potentialleiter 10, der Nulleiter 12 und der Erdleiter 14 sind jeweils mit einem von Leitern · 20, 22 bzw. 24 verbunden, die als Dosen-Potentialleiter, Dosen-Nulleiter bzw. Dosen-Erdleiter bezeichnet werden können.

Eine zu speisende Belastung ist in Form eines Stromverbrauchers R_L angeschlossen, der über Leiter 26 und 28, die mit den Leitern 20 bzw. 22 verbunden sind, mit Strom versorgt wird. Ein Leiter 30 ist mit dem Chassis des Verbrauchers R₁. und außerdem mit dem

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Dosen-Erdleiter 24 verbunden. Die Leiter 26, 28 und 30 bilden also die drei Steckerleiter des Verbrauchers R₅. zur Wand-Anschlußdose. Der Verbraucher R,. kann ein Motor oder ein anderes Gerät wie etwa ein kleiner Bohrer, eine Geschirrspülmaschine oder dergl. sein.

Die zwischen die Leiter 10, 12 und 14 und 26, 28 und 30 eingeschaltete Schaltung 18 ist so entworfen, daß sie in die elektri-

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sehe Anschlußdose 1β paßt. Sie umfaßt einen Differenzstromüber- [ ; wachungs-Transformator 32, eine Oszillatorschaltung 34, eine Veri stärker- und Detektorschaltung 36 und eine Schalter- oder Strom- ι Unterbrechungsschaltung 38.

Der Transformator 32 weist einen ringförmigen Kern 40 aus magne- /. tischem Material auf. Der Dosen-Potentialleiter 20 und der Dosen-:

j Nulleiter 22 verlaufen durch den Transformatorkern 40, auf dem j sich eine Wicklung mit Enden χ und y befindet. ;■

Die Wicklung zwischen den Klemmen χ und y kann bei einer typischen Konstruktion 2000 Winduagen aufweisen. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die Höhe des auf den Leitern 20 und 26 zum

Verbraucher R₁. fließenden Stroms gleich der Höhe des auf den Lei-

j tern 28 und 22 aus dem Verbraucher R, fließenden Stroms. In der.

I Ebene des Kerns 40 wird deshalb kein resultierendes Magnetfeld I erzeugt und zwischen χ und y wird kein Signal induziert.

j Die Oszillatorschaltung 34 arbeitet über einen Widerstand 42 und I eine Diode 44 zu Halbwellen der Wechselspannung auf dem Dosen-Poi tentialleiter 20. Ein zwischen die Anode der Diode 44 und den ^; Dosen-Nulleiter 22 geschalteter Kondensator 46 glättet die an die j Oszillatorschaltung 34 gelieferten Wechselstromhalbwellen. Zwi-I sehen die Anode der Diode 44 und den Dosen-Nulleiter 22 sind in dieser Reihenfolge Widerstände 48 und 50 geschaltet, die an ihrem Verbindungspunkt einen Gleichspannungspegel für einen Differenz- \ verstärker 52 liefern. Bei bestimmten Anwendungen kann es er- ! wünscht sein, die Oszillatorschaltung 34 dauernd mit Strom zu ver-1 sorgen, also auch nach dem Auslösen der Stromunterbrechungsschal-I tung 38. ■ In einem solchen Fall sind der Widerstand 42 und die Diode 44 an die Stromversorgungsseite der Stromunterbrechungs-. schaltung 38 angeschlossen.

Der Differenzverstärker 53 ist ein im Handel unter der Bezeichnung CA3094 erhältlicher Differenzverstärker und ist in der

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Oszillators.chaltung 34 als Oszillator geschaltet, der ein Ausgangssignal einer Frequenz von 20 kHz abgibt. Die Ausgangsfrequenz ist so gewählt, daß sie nicht synchron mit der Netzfrequenz von beispielsweise 60 Hz ist. Der Verbindungspunkt zwi- j sehen den Widerständen 48 und 50 ist zu einer der Eingangsklemmen* nämlich zur nichtinvertierenden Eingangsklemme 54 des Differenzverstärkers 52 geschaltet. Die Ausgangsklemme 56 des Differenzverstärkers 52 ist über einen Widerstand 58 mit dem Dosen-Nullleiter 22 verbunden. Die andere der Eingangsklemmen des Differenzverstärkers 52, also die invertierende Eingangsklemme 60, ist mit dem Verbindungspunkt zwischen- einem Kondensator 62 und einem Widerstand 64 verbunden, die in dieser Reihenfolge in Reihe zwischen die Anode der Diode 44 und die Verstärker-Ausgangsklemme 56 geschaltet sind. Der Kondensator 62 und der Widerstand 64 stellen einen Teil einer Rückkopplungsschaltung dar, die mit der beschriebenen Schaltung zusammenwirkt und die Ausgangsfrequenz der Oszillatorschaltung 34 bestimmt. Eine Rückkopplung besteht außerdem zur Eingangsklemme 54 über einen Widerstand 66 von -der Ausgangsklemme 56. Eine Parallelschaltung eines Kondensators 68 'und einer Induktorspule 70, die in den Nulleiter zwischen den Widerständen 50 und 58 eingeschaltet ist, dient außerdem der Begrenzung der Bandbreite der Impulse von der Oszillatorschaltung 34. Die übrigen Anschlüsse des Differenzverstärkers 52 mit einer Klemme 72, einem Widerstand 74 und einer Klemme 76 dienen der Vorspannungsgabe für den Differenzverstärker 52.

Von Bedeutung ist, daß die Oszillatorschaltung 34 auf dem Nulleiter ein Signal erzeugt, das von niedrigem Pegel in der Größenord-| nung von 10 bis 100 mV ist und das nichtsynchron mit der Frequenz j der Stromquelle ist.

Die Verstärker- und Detektorschaltung 36 wird über eine Diode 80 mit Strom versorgt. Die Kathode dieser Diode 80 ist mit der Ano-j de der Diode 44 verbunden. Außerdem ist zwischen die Anode der ' Diode 80 und den Dosen-Nulleiter 22 ein verhältnismäßig großer Kondensator 82 geschaltet, dessen Kapazität so hoch ist, daß die Schaltung 36 nahezu an Gleichspannung liegt. - 7 -

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Das Hauptelement der Schaltung 36 ist ein Verstärker 84, der zwei Differenz-Eingangsklemmen 86 und 88 hat. Die Klemme 86 ist die nichtinvertierende Eingangsklemme und die Klemme 88 die invertierende Eingangsklemme. Der Verstärker 84 hat eine unsymmetrische Ausgangsklemme 90. Er kann für die beschriebene An-• wendung ein kommerziell unter der Bezeichnung CA3O8O erhält-' licher Verstärker sein. Er dient als Rechen-Transkonduktanzr ! Verstärker (OTA), da sein Ausgangssignal am besten in Form des an die.Ausgängsklemme 90 gelieferten AusgangsStroms angegeben wird. Der Ausgangsstrom ist proportional zur Spannungsdifferenz ; zwischen den Eingangsklemmen 86 und 88. Die Steilheit oder ι Transkonduktariz des Verstärkers 84 ist dem über einen Widerstand : 92 zugeführten, zur Vorspannung dienenden Verstärker-Ruhestrom

direkt proportional. Das Arbeitspotential für den Verstärker 84 wird ihm über Leiter 94 und 96 eingegeben. Der Kondensator '- 82 ist durch einen Spannungsteiler aus Widerständen 98, 100 und , 102 überbrückt, über eine Verbindung über einen Widerstand zu einem Punkt zwischen den Widerständen 100 und 102 ergibt sich an der Eingangsklemme 88 ein Spannungsschwellenpegel. Der Widerstand 100 hat einen Schleifabgriff, der über einen Kondensator J 106 mit der Eingangsklemme 88 verbunden ist. Die Eingangsklemme ■ 86 des Verstärkers 84 ist über Widerstände 108 und 110 mit der Klemme χ der Wicklung auf dem Kern 40 verbunden. Zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 108 und 110 und die Eingangsklemme 88 ist außerdem ein Kondensator 112 geschaltet. Die Kondensatoren I06 und 112 dienen dazu, Leitungsrauschen auszufilteri und verhindern dadurch unerwünschte Auslösungen der Stromunterbrechungsschaltung 38. Die Klemme y der Wicklung auf dem Kern 40 ist schließlich mit dem Schleifabgriff des Widerstands 100 verbunden. -

Die Verstärker- und Detektorschaltung 36 stellt eine Möglichkeit dar, die an den Klemmen χ und y auftretenden Fehlersignale zu verstärken und dann das verstärkte Signal zur Betätigung der Stromunterbrechungsschaltung 38 zu verwenden. Im Normalzustand,

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wenn also an den Klemmen χ und y keine Signale entdeckt werden, liegt die Ausgangsklemme 90 des Verstärkers 84 auf einem gegebenen Gleichspannungspegels der durch die Einstellung des Schleifabgriffs am Widerstand 100 in der Spannungsteilerschaltung bestimmt ist. Sobald an den Klemmen χ und y ein Signal festgestellt wird, steigt der Pegel an der Klemme 90.

Die an der Klemme 90 auftretenden Signale werden über eine Diode !

114 zur Stromunterbrechungsschaltung 38 geleitet. Zusätzlich ;

ist von der Kathode der Anode 114 eine Parallelschaltung eines j Widerstands 116 und eines Kondensators 118 zur Anode der Diode ; 80 gelegt. Der Kondensator 118 und der Widerstand 116 dienen j

der Verhinderung von unerwünschten Auslösungen der Stromunter- · breehungssehaltung 38. j

i Die Stromunterbreehungsschaltung 38 umfaßt einen gesteuerten Siliciumgleichrichter 120, ein magnetisch betätigtes Relais 122 mit einer Auelö**spule 124, einen Betätigungsarm 126 und Schaltstücke 128 und 130.

Die Kathode der Diode 114 ißt mit der Steuerelektrode des SiIiciuiagleiehricüiterB 120 verbunden. Die Auslöseipule 124 ist zwischen die Anode des gesteuerten Siliciumgleichrichter 120 und den Dosen-Nulleiter 22 gelegt und die Kathode des gesteuerten Siliciumgleiehriehters 120 ist mit der Anode der Diode 80 verbunden. Es ist also die Reihenschaltung der Hauptanschlüsse des Gleichrichters 120 und der Spule 124 zwischen Anschlußstellen unterschiedlichen elektrischen Potentials gelegt. Der Betätigungsarm 126 befindet sich normalerweise in der geschlossenen Stellung, in der er die Schaltstücke 128 und 130 überbrückt, die serienschaltungsmäßig in den Dosen-Potentialleiter 20 einbezogen sind.

Wird an die Steuerelektrode des gesteuerten Siliciumgleiehriehters 120 ein Fehlersignal geliefert, so wird dieser leitend und

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speist die Spule 124, wodurch wiederum der Betätigungsarm 126 nact unten gezogen wird und,dadurch die Stromleitung zum Verbraucher R_L unterbrochen wird.

Hinsichtlich der Gesamtfunktion der in der Figur dargestellten Schältung ist folgendes bemerkenswert. Erstens wird, wenn der belastungsseitige Potentialleiter 26 in leitenden Kontakt mit ί dem geerdeten Leiter 30 kommt, also ein Erdleiterfehler'auftritt, eine Fehlbalance an den Klemmen χ und y festgestellt. Dieses Signal wird vom Verstärker 84 verstärkt und das Signal an der Klemme 90 macht den gesteuerten Siliciumgleichrichter 120 leitend₃ wodurch die Stromleitung zwischen den Schaltstücken 128 und 130 am Dosen-Potentialleiter 20 unterbrochen wird. Sollte zweitens der belastungsseitige Nulleiter 28 in Kontakt mit dem geerdeten Leiter 30 kommen, also ein Nulleiterfehler auftreten, so ergibt

: sich wiederum eine Fehlbalänce und der Strom auf dem Leiter 20 wird unterbrochen.

Im zweiten Fall wird das Problem, daß ein Signal von entgegengej setzter Phase und gleicher Größe das Fehlersignal aufhebt, aufgrund der Tatsache vermieden, daß-ein Signal einer niedrigen

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j Spannung und einer Frequenz, die höher ist als die Netzfrequenz, auf dem belastungsseitigen Nulleiter 28 liegt.

Der wichtige Grund für den Nulleiterfehlerschutz ist, daß nach dem Stand der Technik ein Zustand mit einem Nulleiterfehler möglich ist, bei dem eine Person die Potentialseite des Verbrauchers berühren kann und beispielsweise 5 mA durch ihren Körper fließen, j Es ist dann möglich, daß beispielsweise 4 mA über den Nulleiter und etwa 1 mA über den Erdleiter zurück zur Stromquelle fließen. Wird nach einem Differenzsignal zwischen dem Potential- und dem Nulleiter gesucht, etwa mit einem Differenzverstärker, so kann die Differenz zu niedrig sein und die Stromversorgung nicht abr schalten.

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Gemäß der Erfindung wird die Abschaltaktion durch das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Signals zwischen den Klemmen χ und y ausgelöst. Es ergibt sich also zusätzlich zum Schutz gegen Erd- i leiterfehler auch ein wirksamer Schutz gegen Nulleiterfehler.

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- Patentansprüche -

Claims

-Patentansprüche-

1.)Schaltung zum Peststellen von Erdleiter- und Nulleiterfehlern >—^ in einem Wechselstromversorgungssystem mit einem Potentialleiter, einem Nulleiter und einem Erdleiter, und zum Unterbrechen der Stromversorgung- auf das Auftreten eines Erdleiterfehlers oder eines Nulleiterfehlers hin, mit einem mit dem Potentialleiter verbundenen ersten Leiter und einem mit dem Nulleiter verbundenen zweiten Leiter, gekennzeichnet durch einen Signälgenerator (3¹Oa der auf dem ersten Leiter (20) oder auf dem zweiten Leiter (22) ein Signal einer gegebenen Frequenz erzeugt; durch eine auf einen Stromfluß durch den ersten und den zweiten Leiter ansprechende überwachungseinrichtung {32),-die ein Steuersignal abgibt, wenn aufgrund des Vorliegens entweder eines Erdleiterfehlers oder eines Nullleiterfehlers der Strom durch den ersten Leiter ungleich dem Stro» durch den sweiten Leiter ist; und durch eine auf das Steuersignal ansprechende Signaldetektoreinrichtung (36,38) zum Unterbrechen dies Stromflusses vom Versorgungssystem durch den ersten und den zweiten Leiter. *

2* Schaltung nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebene Frequenz des Signals vom Signalgenerator (3¹O erheblich höher ist als die Frequenz des Wechselstromversorungssystems.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaldetektoreinrichtung (36,38) und die Signalgeneratoreinrichtung (34) aus dem Wechselstroraversorgungssystem mit Arbeitsspannung versorgt werden.

4.. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die überwachungseinrichtung (32) einen Kern (40) aus magnetisch permeablem Material, durch den'der erste

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und der zweite Leiter (20,22) hindurchlaufen, und eine Wicklung einem elektrischen Leiter, der zum Erzeugen des Steuersignals um mindestens einen Teil des Kerns gewickelt ist, umfaßt.

Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaldetektoreinrichtung eine Detektorschaltung (36) und eine Unterbrechungsschaltung (38) umfaßt, von denen die Detektorschaltung zwei Eingangsklemmen, die mit den Klemmen (x,y) des auf den Kern (40) -gewickelten Leiters verbunden sind, und eine Ausgangsklemme aufweist, und von denen die Unterbrechungsschaltung eine mit der Ausgangsklemme der Detektorschaltung verbundene Eingangsklemme aufweist und auf ein Signal aus dieser Schaltung hin den ersten Leiter (20) unterbricht, wenn in dem auf den Kern gewickelten Leiter ein Signal erzeugt wird.

Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungsschaltung (38) einen Thyristor (120) mit zwei Hauptelektroden und einer Steuerelektrode umfaßt, von denen die Steuerelektrode mit der Ausgangsklemme der Detektorschaltung (36) verbunden ist, sowie ein Relais (122) mit einer Betätigungsspule (124) und einem Betätigungsarm (126) umfaßt, dessen Betätigungsspule in Reihe mit den Hauptelektroden des Thyristors geschaltet ist, ,wobei diese Reihenschaltung zwischen Punkte verschiedenen Potentials geschaltet ist; und daß der Betätigungsarm in Reihe mit dem ersten Leiter (20) geschaltete Schaltstücke aufweist und die" Leitfähigkeit des ersten Leiters auf ein an der Ausgangsklemme der Detektorschaltung auftretendes Signal hin unterbricht.

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