DE2710557A1

DE2710557A1 - Vorrichtung mit schutzschaltung

Info

Publication number: DE2710557A1
Application number: DE19772710557
Authority: DE
Inventors: Donald Charles Miffitt
Original assignee: Gillette Co LLC
Current assignee: Gillette Co LLC
Priority date: 1976-03-08
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1977-09-29
Also published as: AU2300477A; CA1038449A; IT1071304B; US4029996A; FR2344162A1; GB1536610A

Description

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TELEX: 1tS7M - TELEX: S327I7

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The Gillette Company, Boston, Massachusetts, V. St. A.

Vorrichtung mit Schutzschaltung

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Die vorliegende "lürfindung "betrifft eine Vorrichtung, die auch, betrieben werden kenn, wenn sie in Berührung mit einem Teil des Körpers der Bedienungsperson - bspw. deren fänden steht, und eine Schutzschaltung enthält.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Schutzschaltung für ein Gerät wie ospw. einen tragbaren Haartrockner, ein v/erkzeug oder dergl., die die bedienungsperson gegen* einen elektrischen Schlag schützt.

.aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Schaltungen bekannt, die verhindern, daß die !Person, die ein - typischerweise in der Hand zu haltendes - Haushaltsgerät oder Werkzeug hält, einen elektrischen Schlag erleidet, der zum Tod führen kann. Meistens enthalten diese schlagsicheren Vorrichtungen einen üifferenzstromtransformator, der eine kleine Stromdifferenz in normalerweise symmetrischen Starkstromleitungen erfaßt. Diese Differenz wird normalerweise durch einen Leckstrom aus einer der Leitungsadern nach Kasse verursacht, so daß die liückführleitung einen geringeren Strom führt, als normalerweise in einem

zugehörigen Fühler eine Stromdifferenz Null ergeben würde. Liegt die Stromdifferenz unter einen vorbestimmten Wert - ι typischerweise etwa 5 i&A- ~ bleibt die Starkstromleitung üblicherweise ununterbrochen. Bei stärkeren Differenzströmen | wird der Starkstromkreis unterbrochen,da dann eine Gefahren-

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situation vorliegt. Ein derartiger Differenzstromtransformator in eine Schutzschaltung für Erdungsfehler ist in der US-Po 5.213.321 beschrieben.

Die Verwendung eines Stromtransformators zum Erfassen von [ Fehlerzuständen hat einige Nachteile - bspw. die elektronische Schaltung, die an den Stromtransformator angeschlos-

sen werden muß, um das Fühlsignal zu verstärken. Außerdem ι

ist der Transformator selbst ein teures Bauteil. |

J3ei einigen Schutzschaltungen nach dem Stand der Technik, in denen versucht wurde, einen Differenzstromtransformator zu umgehen, sind Schaltspulen oder Relais verwendet, die beim Auftreten eines gefährlichen Leckstroms in der Last verschiedene Transistoren so vorspannen, daß diese die ITetzspannung von dem Gerät abschalten. Derartige Versuche ergaben weder eine 1oo%-ige Betriebssicherheit noch waren sie auf tragbare Haushaltsgeräte und dergl. anwendbar. Typischerweise mußte das Gerät dabei dauerd an die Netzleitung angeschlossen bleiben und/oder eine teure zusätzliche Schaltung in Kauf genommen werden.

Schließlich arbeiten die aus dem Stand der Technik bekannten Fehlstromschalter in Erdungskreisen nur, wenn ein tatsächlicher Fehler (bspw. elektrischer Schlag) auftritt, nicht aber, wenn ein potentiell gefährlicher Zustand vorliegt, bei dem die mit der Schutzschaltung versehene Vor-

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richtung zu stark mit entweder den zugeordneten äetzleitem oder Erde gekoppelt ist. Die letztere Betriebsart ist für eine Schutzschaltung sehr erwünscht, da sie die Vorrichtung bereits vor dem Auftreten des eigentlichen elektrischen Schlags abschaltet und die Bedienungsperson lehrt, eine Vorrichtung dieser Axt nicht zu benutzen, wenn sie Erdkontakt hat oder sich gefährlich nahe an der spannungsführenden Seite der Leitung befindet.

Jeder Mensch ist immer mit seiner Umgebung kapazitiv gekoppelt. Da die Masse bzw. jirde überall vorhanden ist, ist man mit der Masse bzw. Erde im allgemeinen enger verkoppelt als mit irgendeinem anderen Potential. Der einzige Fall, in dem dieses grundlegende Gleichgewicht gestört wird, ist, wenn man einen Leiter unmittelbar berührt; dabei verschiebt man seine Impedanz zum Potential des Leiters. Dieser Impedanzwert hängt vom Kontaktwiderstand der jeweiligen Person ab. Der Trocken-Kontaktwiderstand beträgt im allgemeinen 5o ... 5oo kOhm; im nassen Zustand kann er auf 1 kOhm absinken. Die Schaltung der vorliegenden Erfindung erfordert, daß die Person, die die Vorrichtung mit der Schutzschaltung hält, das Kontaktgitter der Vorrichtung berührt, während sie sich auf der normalen Impedanz (d.h. nicht in unmittelbarer Berührung mit der Ilasse oder anderen Potentialen) befindet, wenn die Vorrichtung arbeiten soll. Wenn die Bedienungsperson das Kontaktgitter losläßt oder Erde oder ein hohes

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Potential berührt, schaltet die Vorrichtung ab.

Nach einem Aspekt der Erfindung sind mit der Verrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Probleme eines Differenzstromtransformators, der einen iCrdungsfehlerschutz nur bietet, wenn der Fehler bereits aufgetreten ist, für tragbare Haushaltsgeräte im wesentlichen überwunden. Die Erfindung bietet ein sicheres, zuverlässiges und kosteneffektives System, daß die Gefahr eines elektrischen Schlags für den Benutzer eines tragbaren elektrischen Haushaltsgeräts ver- '. hindert und ihn lehrt,solche Geräte oder Werkzeuge nicht ! auf gefährliche Weise zu benutzen. Die Erfindung enthält j weitere Besonderheiten - bspw. arbeitet das Gerät nur, wenn der Benutzer es auf vorbestimmte Weise hält. Wenn er seinen Griff löst, schaltet das Gerät automatisch ab.

Die Erfindung weist weiterhin ein leitendes Kontaktgitter : bzw. eine leitende Kontaktplatte auf, die gemeinsam mit in j dem Gerät und/oder dessen Stecker befindlicher Schaltung ! dazu verwendet wird, um die Impedanz des Benutzers gegen ] beide Seiten der Netzleitung zu messen. Wenn die Impedanz gegenüber beiden Seiten der Leitung unter einem vorbestimmten Wert liegt, wird die Stromzufuhr aus dem Netz automatisch mit einem Schaltelement unterbrochen, daß in Heine mit der Netzleitung liegt, so daß der Benutzer gegen eine unsichere Benutzung des Geräts und gegen einen elektrischen Schlag geschützt ist.

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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine empfindliche Anordnung zum Verhindern elektrischer Schläge anzugeben, die keinen Differenzstromtransformator und dessen zugehörige !Schaltung in einer in der Hand zu haltenden Haushaltsgeräts erfordert.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Haushaltsgerät mit einer Schutzschaltung anzugeben, die den Benutzer gegen einen elektrischen Schlag schützt und das Gerät nur arbeiten läßt, wenn ein im Gerät enthaltenes Schaltelement in.Reihe mit einer Leitungsader der zugeordneten Starkstromquelle liegt.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gerät mit einer Schutzschaltung anzugeben, daß nur eingeschaltet bleibt, wenn der Benutzer eine Kontaktplatte bzw. ein Kontaktgitter im Griff der Vorrichtung - bspw. eines Hand-Haartrockners - berührt.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein in der Hand zu haltendes Gerät zu schaffen, daß abschaltet, wenn der Benutzer eine der Adern eines Wechselstromnetzes oder Erde berührt, so daß der Benutzer lernt, daß Gerät auf sichere Weise zu verwenden und gleichzeitig gegen einen elektrischen Schlag geschützt ist.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein

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kosteneffekttives Gerät mit Fehlstromabschaltung anzugeben.

Die -i'/rfindung soll nun hinsichtlich ihrer Organisation und Funktionsweise sowie mit weiteren Zielen und Vorteilen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen anhand einer Ausführungsform ausführlich beschrieben werden.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführurigsforiü zur Fehlstromabschaltung nach der vorliegenden Erfindung;

Figo 2 ist ein Stromlauf einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltung zur Fehlstroraabschaltung in der Hand zu haltenden Haushaltsgeräten und Werkzeugen nach der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 11, die über die Adern 12, 13 und 14 an einen Stecker 15 geführt ist. Die Vorrichtung 11 kann in Form eines Haushaltsgeräts, eines Werkzeugs oder

dergl. vorliegen und ist vorzugsweise ein in der Hand zu

; haltende tragbare Vorrichtung wie ein tragbarer Haartrockner

oder ein tragbares Frisiergerät.

Die Vorrichtung 11 weist eine elektrische Last auf, die mit

j dem Kästchen 16 dargestellt und über die Adern 12 und 14 an

j den Stecker 15 geführt ist. Die Vorrichtung 11 weist weiter-

! hin ein Kontaktgitter 17 auf. Dieses Kontaktgitter ist vorj

zugsweise körperlich mit dem Äußeren der Vorrichtung 11 wie

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bspw. mit dem Griffteil eines tragbaren Arbeitsgeräts verbunden, um zu gewährleisten, daß der benutzer der Vorrichtung 11 körperlich in Berührung mit dem Kontaktgitter gerät vorzugsweise dann, wenn er die Vorrichtung 11 im Verlauf des normalen Einsatzes derselben ergreift.

Das Kontaktgitter 17 kann in einer Vielzahl von bekannten Ausführungen und Konstruktionsverfahren hergestellt sein bspw. mit einem Gittermuster, einem durchgehenden leitenden Clement oder dergl., wobei das wesentliche Kriterium ist, daß das Kontaktgitter 17 einen leitfähigen Teil mit einem elektrisch leizfähigen liaterial wie bspw. einem Hetall enthält, der erlaubt, einen elektrischen Parameter des .Benutzersd.h. seine Impedanz, gegenüber dem Null- und dem Phasenleiter einer zugeordneten Wechselstromquelle - bspw. einer Wandsteckdose - zu erfassen.

Der Ausgang des Kontaktgitters 17 ist elektrisch mit dem Leiter 14 über einer "iingangsimpedanZsteuerung 18 und an den Eingang eines Kontaktinipedanzsignalwandlers 19 gelegt. Der Kontaktimpedanzsignalwandler 19 ist auch elektrisch mit dem Leiter 14 sowie weiterhin mit einem Eingang an den Bezugssignalpunkt 2o verbunden, der seinerseits elektrisch in einer Rückkopplungsanordnung über die Iiückführleitung

21 auf einen Eingang der Eingangsimpedanzsteuerung 18 geht. Der Signalpunkt 2o ist weiterhin durch einen Schnappschalter

22 mit Ruhekontakt mit dem Leiter 13 verbunden.

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Der Eontaktimpedanzsignalwandler 19 entwickelt im Prinzip einen proportionalen Gleichspannungsimpulszug, dessen Pegel von der Impedanz bestimmt wird, die die Schaltung am Eingang vom Kontaktgitter 17 und von der bingansimpedanzsteuerung 13 erfasst. Die "Jingangsimpedanzsteuerung 18 kann eine einzelne Impedanz wie bspw. ein Widerstand ohne Verwendung einer Rückführleitung 21 sein. In einer "bevorzugten Ausführungsform ist, wenn zusätzliche Empfindlichkeit erwünscht ist, der Rückführleiter 21 in Kombination mit einer später zu beschreibenen Schaltung besonders vorteilhaft. Wird kein Rückführleiter wie bspw. der Rückführleiter 21 verwendet, hat sich ein Widerstand im Bereich von 1o ... 2oMOhm als ausreichend erwiesen. Im allgemeinen ist die Eingangsimpedanzeinstellung dazu ausgelegt, Impedanzwerte so zu vergleichen, wie unten beschrieben ist.

Der Schnappschalter 22 mit Ruhekontakt kann eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführung sein und arbeitet, wie unten beschrieben.

Für die Steckeranordnung 15 sind ein erster Steckkontakt und ein zweiter Steckkontakt 24 dargestellt, die elektrisch mit den Adern 12 bzw. 14 verbunden sind, um elektrisch mit einer zugehörigen Wechselstromquelle - bspw. einer (nicht gezeigten) Wandsteckdose - verbunden bzw. in diese eingesteckt werden können. Das Hassesymbol am Punkt 25 der Steckeranordnung 15 bezeichnet lediglich den internen Bezugspunkt

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und soll nicht besagen, daß der Stockkontakt 24 elektrisch mit Null- oder dem Phasenleiber der zugehörigen ,/and st eckdose verbunden ist.

Pie in der oteckeranordnung 15 enthaltenen Bauteile sind vorgesehen, um elektrische fehler auszugleichen, die von der elektrischen Verbindung aus den Leitern 12, 1? und zwischen der Vorrichtung 11 und der .teckeranordnung 15 verursacht werden können. Jena derartige Gefahrenquellen nich£ berücksichtigt zu werden brauchen, wie wenn der •'.-jteckerteil der Vorrichtung an die Vorrichtung ohne eine '.Schnur angeschlossen ist, kann man die- in der .-»teckeranordnung 15 enthaltenen ochutzbauteile ohne weiteres auch in die Vorrichtung 11 aufnehmen.

Zwischen den Leiter und einen Bezugs- oder Signalpunkt ist eine Signalaufbereitungsschaltung und ein Jpitzendetektor 27 eingeschaltet. Die Signalaufbereitungsschaltung und Spitzendetektor 27 weist eine Diode 28, die als Ceil des Spitzendetektors arbeitet, sowie die Parallelschaltung eines \7iderstands 29 und eines Kondensators ?o auf. Diese HC-'ochaltung aus dem Widerstand 29 und dem Kondensator bewirkt die '4G-Zeitkonstante, die unten ausführlich erläutert wird. Die Signalaufbereitungsschaltung und der Spitzendetektor 27 nimmt die Gleichspannungsimpulse vom Ausgang des Kontalrtimpedanzsignalwandlers 19 auf, wenn der Schalter 22 geschlossen ist, so daß der Kondensator 3o sich

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lädt. -Jer Detektor ?7 enthält auf der LeIt¹IHg 13 kein gesignal, wenn der Schalter 22 offen ist.

Der oignalpunkt 26 ist elektrisch an den ersten jJingangsanschluß 33 eines Comparators 34 und auch an den ersten ,-■iitigangsanschluß 35 eines !Comparators 36 gelegt. Der zweite -Jingangsanschluß 37 des !Comparators 34- ist elektrisch an eine Bezugsspannung 1 und der zweite ^ingangsanschluß des Komparators 36 elektrisch an eine Bezugsspannung 2 gelegt, wie im folgenden zu beschreiben sein wird. Das Ausgangssignal des Komparators 34 geht über den Reihen-Widerstand 39 und den Parallel-K'ondensator 4o auf den jiiin/ Aus- eingang einer Schaltersteuerung 41. Das Ausgangssignal des Komperators 36 geht elektrisch auf den Sperreingang der ochaltersteuerung 41. Der Komperator 34 und der Komperator 36 erzeugen ein Ausgangssignal, wenn das Spannungssignal an deren ersten iingängen höher ist als die an den jeweiligen zweiten ^ingangsanschlüssen liegenden Bezugsspannungen 1 bzw. 2.

Die Schaltersteuerung 41 ist weiterhin über den Leiter mit dem Steckkontakt 23 und mit dem Steckkontakt 24 über die Leitung 43 verbunden. Weiterhin ist die Schaltersteuerung 41 elektrisch über die Steuerleitung 44 an einen Leitungsschalter 45 gelegt. Der Leitungsschalter 45, der die Form irgendeines steuerbaren Schalters wie bspw. eines Triac, zweier antiparallel geschalteter Thyristoren, Heiais

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usw.annehmen kann, liegt elektrisch in Heine zwischen dem Steckkontakt 24 und der Leitimg 14. Falls erwünscht, kann ein weiterer (nicht gezeigter) Leitungsschalter ebenfalls in -ieihe zwischen den Steckkontakt 2J> und den Leiter 1?. geschaltet werden, iin solcher zusätzlicher Leitungsschalter läßt sich leicht mittels der oteuerleitung 44 betätigen.

Im Betrieb erfaßt der Benutzer typischerweise die öteckeranordnung 15 und führt die Kontaktstifte 23, 24 in eine Steckdose ein. Der Benutzer kann dabei nicht sicher sein, welcher der Kontaktstifte an den Phasenanschluß und v/elcher an den Nulleiter gerät.

Nimmt man an, daß der Kontaktstift 23 an den Phasenleiter des Wechselstromanschlusses ( was im folgenden unter Bezug auf Fig. 1 als "falscher" Anschluß bezeichnet werden soll) : gerät und der Benutzer dann das Gehäuse der Vorrichtung , erfaßt und das Kontaktgitter 17 infolge der für diese ! gewählten Anordnung - typischerweise im Griffteil des Ge-

ι hauses der Vorrichtung 11 - berührt, geschieht folgendes. Da die Vorrichtung zunächst abgeschaltet ist, ist der Schalter 22 geschlossen und der Leitungsschalter 45 offen, j d,h. nicht durchgeschaltet, so daß die volle Netzspannung

vom Kontaktstift 23 über die Leitung 12 und die Last 16 j durch die Eingangsimpedanzsteuerung 18, den Kontaktimpedanzj signalwandler 19 und den Schalter 22 auf die Aufbereitungsschaltung und den Spitzendetektor 27 gerät. Dieses typischerj _ __ _

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weise sehr hohe v/echselspannuugsnignal ( 12oV bzw. 22o V) bewirkt, daß der r'oiitaktimpedanzsignrlwandler 19 ein entsprechend hohes oi^nal erzeugt und dann am oignnlpunkt 26 über die Aufbereitungsschaltung und den 3pitzendetektor 27 eine hohe Gleichspannung anliegt, die höher ist als die gev/ählten Werte der JSe zugs spannungen 1 und 2. Dieses oignal geht auf die ersten Eingänge 33>35 der Komparatoren 34 bzw. 36 und bewirkt ein Signal am bperreingang der Schaltersteuerung 41. Entsprechend steht kein Signal am Steuerleiter 44, daß den Leit\ingsschalter 45 betätigen könnte. D.h. das Signal am Sperreingang der Schaltersteuerung 41 ist hoch und hält deshalb der Leitungsschalter 45 geöffnet. Obgleich die Ausgänge der Komparatoren 34, 36 hochschalten, bewirkt die Zeitkonstante des Widerstands 39 und des Kondensators am Komparator 34, daß das hochgeschaltete Signal am operreingang der Schaltersteuerung 41 den Ausgang sperrt, bevor das An/Aus-Signal hochschaltet.

Nimmt man nun an, daß die Steckeranordnung 15 richtig in die Steckdose eingeführt ist, d.h. der Kontaktstift 23 am Nulleiter und der Kontaktstift 24 am Phasenleiter der Wechselstromquelle liegen, und weiterhin der Benutzer das Kontaktgitter 17 berührt, ergibt sich die gleiche Arbeitsfolge, wie sie oben für den Pail des falschen Einführens des Steckers in die Steckdose beschrieben wurde. Insbesondere ist der Leitungsschalter 45, der elektrisch in Reihe mit dem

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Phasenleiter der V/echselspannungsquelle über den Kontaktstift 24 liegt, offen. Die 3pannungssignale von Kontaktstift 23 gegenüber dem Bezugspunkt 25 c^enen schließlich über die Leitung 12 und die lost 1G auf die ''Jingangr.impedanzsteuerung 18 und bewirken Gleichsprmnunßsimpulse durch die Signalaufbereitungsschn]tung und den Spitzendetektor 27» die schließlich, wie oben beschrieben, die Ausgänge der I Comparatoren ?4 und 3⁽' hochschalten und damit bewirken, daß die hohe Spannung am Sperreingang der Schaltersteuerung 41 den Leitungsschelter 45 im abgeschalteten bzw. geöffneten Zustand haltern.

Unabhängig davon, ob die Steckeranordnung 15 richtig in die zugehörige Steckdose eingeführt ist, wird der benutzer den Schalter 22 mit Ruhekontakt 22 in einen vorübergehend geöffneten Zustand drücken und den Schalter 22 freigeben, der dann in den Ruhestand zurückkehrt. V/enn der Benutzer den Schalter 22 nicht losläßt, damit er in den Ruhezustand zurückkehren kann, bevor die Spannung am Punkt 26 unter die Bezugsspannung 1 abfällt, steht am Ein/Aus-üingang der Schaltersteuerung 41 ein Signal, daß den Leitungsschalter 45 abschaltet bzw. öffnet.

nimmt man nun an, daß der Schalter 22 mit Ruhekontakt nicht so lange im geöffneten Zustand gehalten wird, daß obiger j Vorgang eintreten kann,d.h. das Signal vom Leiter 13 zum l'Jingang der Signalaufbereitungsschaltung und Spitzendetek-

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tor ?-7 unterbrochen und die Vorrichtung 11 von der Steckeranordnung 15 getrennt ist, entlädt sich der Kondensator 3o, so daß die Spannung am Punkt 26 unter dir Bezugsspannung 2 abfällt. Dabei liegt sie eine gewisse Zeitspanne über der JJe zugs spannung 1, da die liezugsspannung 2 höher als die Jezugsspannung 1 ist. Die Zeitspanne, während der die Spannung am Punkt 26 zwischen der ßezugsspannung 2 und der •ie zugs spannung 1 liegt, wird von der liC-Zeitkonstante des Widerstands 29 und des Kondensators 3o bestimmt, da das an den ersten jJingangsanschluß 35 des Konparators 36 gelegte Spannungssignal geringer ist als die am zweiten ^Jingangsanschluß 38 des Komparptors 36 liegende, liefert der Komparator 36 kein Ausgangssignal. Da jedoch' die Be zugs spannung am ersten Anschluß 33 des !Comparators 34- höher als die Be zugs spannung 1 am zweiten Anschluß 37 des Komparators 34-iat, liefert der Komparator 34- ein Ausgangssignal an den Sin/Aus-Eingang der Schaltersteuerung 4-1, so daß ein "Ein"-Signal auf der Steuerleitung 44 auf den Leitungsschalter 4-5 geht und diesen schließt bzw. durchschaltet.

Wenn die Steckeranordnung 15 falsch eingesteckt ist und der Schalter 22 rechtzeitig freigegeben wurde, ist der Benutzer mit Erde gekoppelt. Deshalb weist der Benutzer im wesentlichen Erdpotential auf und am öignalpunkt 2o steht eine niedrige Spannung an. Dieses Signal am Punkt 2o wird von der Schaltung 27 spitzengleichgerichtet, so daß ein sehr schwaches Gleichspannungssignal am Punkt 26 steht. Diese

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Spannung am Punkt 26 ist geringer als die Jezugsspannung 1 , so daß kein .aus gangs signal hinter dem Loaparntor 34 und dem Komparator 36 steht, der !'iin/ii-us-Jingung der ochaltersteuerung 41 ebenfalls kein Signal erhält und dex· Leitungsschalter 45 abgeschaltet bzw. geöffnet wird.

Insbesondere sinkt, wenn der Stecker falsch, eingesteckt ist und der »Schalter 22 freigegeben wird, die Spannung am Kondensator 3o unter die ^ezugsspannung 2 ab, so daß der Komparator 36 kein Ausgangssignal liefert. Jedoch wird an den 5in/Aus-Anschluß der Schaltersteuerung 41 ein EinSignal gelegt, so daß der Leitungsschalter 45 geschlossen bzw. durchgeschaltet bleibt, bis die Spannung am Punkt 26 unter die Bezugsspannung 1 abfällt. Nachdem dieses Signal vom Ein/Aus-Anschluß der Schaltersteuerung 41 entfällt, öffnet auch der Schalter 45 wieder.

Nimmt man an, daß der Schalter 22 freigegeben wurde und der Schalter richtig in die Steckdose eingeführt ist, d.h. der Leitungsschalter 45 in Keihe mit der Phasenleitung aus der Wechselstromquelle liegt, ist die Spannung zwischen dem ienutzer und dem Phasenleiter der Quelle höher als zuvor und ergibt am Punkt 26 eine Gleichspannung, die zwischen den Bezugs spannungen 2 und 1 liegt. Am LJ in/ AusAnschluß der Schaltersteuerung 41 liegt also eine "i,in"-Anzeige, die den Leitungsschalter 45 im durchgeschalteten Zustand hält, so lange die Spannung am Punkt 26 zwischen

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den Bezugsspannungen 2 und 1 liegt.

Nimmt man weiterhin an, daß die Vorrichtung arbeitet, wie oben beschrieben, braucht, um die Vorrichtung 11 abzuschalten, nur der benutzer das Kontaktgitter 1? loszulassen, iiilektrisch ergibt das Loslassen des Kontaktgitters 17 keine Signaldifferenz am Punkt 2o, so daß die Spannung am Punkt 26 schließlich unter der Bezugsspannung 1 liegt, der Komparator 34- kein Signal liefert und schließlich auch kein Signal am IHin/Aus-Anschluß der Schalt erst euerung 41 liegt, so daß der Leitungsschalter 4-5 öffnet.

Will der Benutzer die Vorrichtung 11 abschalten, ohne das Kontaktgitter 17 freizugeben, ergibt ein öffnen des Schalters 22 mit Ruhekontakt ebenfalls einen Abfall der Spannung am Punkt 26 unter die Bezugsspannung 1, sO daß der Leitungsschalter 45 öffnet.

Ob von die Vorrichtung 11 durch Freigeben des Kontaktgitters 17 oder durch öffnen des Schalters 22 abschaltet, muß die Zeit, für die der Benutzer das Kontaktgitter 17 freigibt und/oder den Schalter 22 öffnet, länger sein als die Zeitkonstante aus dem Widerstand 29 und dem Kondensator 3o in der Signalaufbereitungsschaltung bzw. dem Spitzendetektor 27.

So lange der Benutzer der Vorrichtung 11 eine normale Impedanz (d.h. keine direkte Berührung mit Erde oder anderen

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Potentialen) hat, kann die Vorrichtung weiterarbeiten. Hat der Benutzer eine niedrigere Impedanz nach Iiirde oder einer der beiden Leitungsseiten, d.h. Nulleiter oder Phasenleiter, tritt das einen gefährlichen Zustand kennzeichnende Potential auf und wird die Vorrichtung automatisch abgeschaltet.

Wenn der Benutzer bspw. entweder den Nulleiter unmittelbar (bspw. als nichtisolierten Leiter ) oder eine elektrisch mit dem Nulleiter verbundene ICrde berührt, wird die Impedanz des Benutzers auf das Potential der i]rde bzw. des Nulleiters gebracht und es ergibt sich eine Impedanz, die gegenüber iirde niedriger wird, so daß am Signalpunkt 2o die Spannung ansteigt. Folglich wird die Spannung am Punkt 26 höher als die Bezugs spannung 2 und das Aus gangs signal des !Comparators 36 geht auf den Sperranschluß der Schaltersteuerung 41, so daß der Leitungsschalter 45 geöffnet bzw. abgeschaltet wird.

Wenn der Benutzer der Vorrichtung 11 in einer potentiell gefährlichen Lage sich befindet, in der er den Phasenleiter ( bspw. bei fehlender Isolierung des Phasenleiters ) berührt, nimmt die Impedanz zum Phasenleiter ab, sinkt die Spannung am Punkt 2o und sinkt daher auch die Spannung am Punkt 26 unter die Bezugsspannung 1, so daß das Ausgangssignal des !Comparators 34 zum Ein/Aus-Anschluß der Schaltersteuerung 41 entfällt; das resultierende "Aus"-Signal schaltet den Leitungsschalter 45 ab bzw. öffnet ihn.

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Die Fig. 2 zeigt nun eine Vorrichtung 11, die elektrisch über die Leiter 12, 13 und 14 an eine Steueranordnung angeschlossen ißt. ·Άη Kontaktgitter 17, daß in einer Aueführungsform ein leitendes Muster auf dem Griff einer Vorrichtung wie bspw. eines tragbaren Haartrockners ist, liefert, wenn in Berührung mit der Hand des Benutzers, hochohmige Signale. Diese Signale werden mittels eines Feldeffeht-Unijunctiontransistors 46 gepuffert. Die »viderstände 47, 48, 49 und 5o (5o nur, wenn der iTPN-Transistor 51 sperrt) bilden einen Spannungsteiler vom Kontaktgitter 17 zum Gatt des Transistors 46 und von dort zu lern Triac zugewandten Anschluß der Last. Die Widerstände -4-7 und entkoppeln die Anordnung vom Benutzer. Weiterhin bilden sie mit dem Kondensator 52 zusammen ein HF-Stö'rfilter.

Die Widerstände 53» 54 und die Diode 55 liefern an die Ermittler (Source-) Elektrode des Transistors 46 ein halbwellengleichgerichtetes Signal. Der Transistor 46 bildet gemeinsam mit den Widerständen 56, 57 einen Ermittlererfolg, der einen niederohmigen Ausgang hat. Die Widerstände 56» 57 liefern weiterhin einen Teil des Aus gangs signal s an den Transistor 51 vocia den Widerstand Wenn das Ausgangssignal des Transistors 46 am Punkt 2o über etwa 14 V liegt, Schaltet der Transistor 51 durch und schließt den Widerstand 50 kurz, so daß das Signal am Signalpunkt vom Kontaktgitter 17 eine geringere Impedanz

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sieht ( etwa 18o kOhm ).

Der Schalter 22 öffnet die Ausgangsleitung, um die Einheit ein- und auszuschalten. Die Diode 59 gibt an den Teiler aus den Widerständen 6o, 61 nur positive Signale. Der Widerstand 6o und der Kondensator 62 bilden ein otörfilter. Das Signal aus dem Teiler geht an die ideale Diode aus der Diode 28 und dem Operationsverstärker 63. Dieses oi^nal wird auf den Kondensator 3o gegeben, dem der Widerstand 29 parallel liegt. Der auf diese Weise ausgebildete Spitzendetektor hält das Spitzensignal so lange, wie es der .v'iderstand 29 und der Kondensator 3o bestimmen. Die ^.usgangsgleichspannung aus dem Spitzendetektor wird auf die Koaparatoren 34» 36 in der integrierten Schaltung LM 324 der Fa. National Semiconductor gegeben. Die Bezugsspannungen für die Xomparatoren 34, 36 werden von dem V/iderstand 64, der Diode 65t der Diode 66 und der Diode 67 erzeugt. Die Anode der Diode 67 legt einen Diodenspannungsabfall über Masse (etwa o,6 V ) und liefert die Bezugsspannung 1, während die Anode der Diode 65 etwa 1,8 V über Masse liegt und die Bezugsspannung 2 liefert. Die Diode 28 klemmt den Eingang des Verstärkers 63 auf etwa 2,4 V über Masse, so daß die Einheit schnell einschaltet, wenn der Schalter 22 gedrückt wird ( d.h. der Spitzendetektor muß nur von 2,4 V aus abfallen) .

Liegt das Eingangssignal des Komparators 34 über der Be-

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zugsspannung 1, schaltet dessen Ausgang hoch. Dieses Signal wird vom Widerstand 39 und dem Widerstand 68 über den Anschlüssen 13» 14 tier integrierten Schaltung CA 3o59 der Fn. IiCA geteilt, die ihrerseits den Triac 45 schaltet. Der Widerstand 39 und der Kondensator 4-0 verzögern dieses Signal beim Abschalten der .einheit, so daß das Sperrsignal am Anschluß 1 der integrierten Schaltung CA 3°59 vorliegen kann, bevor es an die Stifte 13» 14 der integrierten Schaltung CA 3o59 gerät. Liegt die Eingangsspannung des Komparators 36 höher als die oezugsspannung 2, schaltet der Ausgang des Komparators 36 hoch und prägt der Sperreingang ( Anschluß 1 der integrierten Schaltung CA 3o59) über den Widerstand 69 einen Strom ein; die integrierte Schaltung schaltet den .Jriac 45 dann ab,

Der Widerstand 7° und der Kondensator 71 sind extreme Bauteile, die als l'eil der Spannungsversorgungsschaltung in der integrierten Schaltung CA 3o59 erforderlich sind.

Die Werte der in Fig. 2 gezeigten Bauteile sind wie folgt:

Transistor 46 2N4339

Widerstand 47 68o köhrn

Widerstand 48 68o kOhm

Widerstand 49 18o kOhm Widerstand 5o 11 MOhm

Transistor 51 2N39o4

Kondensator52 1oo pF

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Widerstand 53 Widerstand ^A Diode 55 Widerstand 56 Widerstand 57 Widerstand 5^S Diode 59 Widerstand 6o Widerstand 61 K ond e η s a t ο r 62

Diode' 28 Kondensator3o

Widerstand 29 Widerstand 64 Diode 65 Diode 66 Diode 67 Widerstand 39 Widerstand 68 Widerstand 69 Widerstand 7o Kondensator71

18 kühm 6,2 kOhra IN4oo3 13o kOhm 6,2 kOhm 1oo kühm IN4oo3 39o kOhm 39 kOhm o,o1 /uF

IN414R 1 /uF

33o kühm 1o kühm IN4148 IN4148 IN414-8

2.7 kOhm

6.8 kOhm 1ο kühm

1o kOhm/5 W /UP

Es ist also das Kontaktgitter 17 über die Eingangsimpedanzsteuerung 18 mit der Leitung auf deren Schalterseite verbunden. Da eine Seite der Wechselstromleitung geerdet ist (Nulleiter) und die andere Seite(die Phasenleitung) gegenüber der geerdeten Seite schwingt, läßt die Impedanz des Benutzers zu beiden Seiten der Leitung sich leicht messen.

Ist der Phasenleiter an die den Triac enthaltene Seite der Leitung gelegt, zieht die normale Impedanz des_3enutzers

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den .',ingang des Signalwandlers 19 nach Erde. Wenn der Leitungsschalter 4-5 i-ⁿ der Hulleitung liegt, bleibt das Signal niedrig. Wenn bei richtig angeschlossener Schaltung der Benutzer ein Erdpotential berührt, steigt das Signal an. Wenn der Benutzer die Phasenleitung berührt, wird das Signal geschwächt. Läßt er das Kontaktgitter 17 los, zieht die Eingangsimpedanz das Signal zum Phasenleiter hinab (und senkt es dabei).

Um bei hoher und bei niedriger Impedanz die Diskriminatorwirkung erreichen zu können, ist die Eingangsimpedanz auf optimale Leistungsfähigkeit, d.h. hohe Impedanz für hochohmige und niedrige Impedanz(für niederohmige Signale) ausgelegt. Die eingangsimpedanzsteuerung 18 ändert die Eingangsimpedanz entsprechend dem Ausgangssignal des Signalwandlers 19 um.

Da versucht werden soll, aus einem sehr breiten Impedanzbereich zwei bestimmte Impedanzwerte zu erfassen, ist die Eingangsimpedanzsteuerung wünschenswert. Das Kontaktgitter 17 kann eine Impedanz von etwa 1 kOhm bis etwa 5°o MGhm nach Erde erkennen; das entspricht eindm Bereich von fast 1o : 1. Innerhalb dieses Bereiches sollen zwei kritische Impedanzschwellwerte erfaßt werden, der eine bei etwa 1oo kOhm und der andere bei etwa 2oo MOhm. Unterhalb 1oo kOhm nähert der Benutzer sich dem Punkt, wo er, wenn er in Berührung mit dem Phasenleiter gerät, der Gefahr eines

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elektrischen Schlages ausgesetzt ist. Zwischen etwa 1oo kühm und 2oo IlOhm ist der Benutzer sicher und das Gerrit sollte angeschaltet sein, auch wenn der benutzer einem dieser Extremwerte nahekommt. Die Impedanz liegt über 2oo MOhm, wenn der Benutzer das Kontaktgitter 17 nicht berührt. Man kann erkennen, daß eine Unterscheidung von bspw. 1oo kühm von 5°° kOhm bei einer liingangsiinpedanz von etwa 18o kOhm leichter ist als bei einer Eingangs impedanz von 11 riOhm (d.h. die Spannungsänderung bei einer Impedanzänderung von 1oo kOhm auf 5oo kOhm ist bei 18o kOhm .Eingangsimpedanz höher als bei 11 HOhm Eingangsimpedanz).

Der Kontaktimpedanzsignalwandler 19 nimmt das hochohmige Wechselsignal an seinem Eingang und wandelt es zu einem niederohmigen halbwellengleichgerichteten Signal, daß der Benutzerimpedanz beiderseits der Leitung proportional ist.

Dieses Signal wird dann gefiltert, geteilt und dann eine der Impedanz des Benutzers proportionale Gleichspannung auf die Komparatoren gegeben. Die Bezugsspannung 1 wird so eingestellt, daß sie zwischen demv/ert, der vorliegt, wenn der Benutzer das Gitter nicht berührt,, und dem Wert liegt, der vorliegt, wenn er bei normalen Impedanzwerten das Gitter berührt. Erfaßt er eine höhere als diese Bezugsspannung, liefert der Komparator 34- ein Signal an die Schaltersteuerung 41, die den Schalter durchschaltet und das Gerät unter Strom setzt. Die Bezugsspannung 2 ist so

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- 3ο -

eingestellt, daß sie eine Unterscheidung zwischen dem normalen Pegel und demjenigen Pegel treffen kann, der vorliegt, wenn der Benutzer direkten Erdkontakt hat. Übersteigt die Eingangs spannung diesen v/ert, liefert der Komparator 36 ein Sperrsignal an die .Schaltersteuerung 41, die das Gerät abschaltet.

Der Schnappschalter 22 und die beiden Zeitkonstanten (Widerstand 29 , Kondensator 3o sowie Widerstand 39, Kondensator 4o) erlauben dem 3enutzer eine leichte Steuerung der Einheit mittels eines einfachen Schalters; desgl. kann die Einheit mit einer 3-adrigen Schnur aufgebaut werden.

Die Einheit wird auf folgende Weise ein- und ausgeschaltet. Ist der Stecker richtig eingesteckt, wird, um die Einheit einzuschalten, der Schnappschalter kurzzeitig (etwa o,2 bis o,7 see, abhängig von der Zeitkonstante des Kondensators und des Widerstands 29) geöffnet (d.h. gedrückt). Ist sie eingeschaltet, kann die Einheit abgeschaltet werden, indem man den Schalter für einen längeren Zeitraum (mehr als eine Sekunde) öffnet (drückt). Diese Speicherwirkung wird von den Zeitkonstanten des Widerstands 29 mit Kondensator 3o und dem Widerstand 39 mit Kondensator 4o sowie dem Triac erzeugt, wie oben erläutert.

Ist der Leitungsschalter 45 abgeschaltet, liegt die andere Netzader nach am Signalwandler 19· Hierbei wird an die

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Komparatoren ein sehr hohes Signal geliefert, so daß der Leitungsschalter 45 offengehalten wird. Wenn der Benutzer den Schnappschalter 22 drückt, entfällt dieses Signal und entlädt der Kondensator 3o sich durch den Widerstand 29. Das an die Komparatoren gelegte Gleichspannungssignal fällt dann ab und bleibt zwischen der Bezugsspannung 2 für eine Zeitdauer, die vom Widerstand 29 und dem Kondensator Jo bestimmt wird. Der Benutzer muß dann den Schalter freigeben, der das Signal vom Kontaktgitter wieder anlegt. Ist dessen Wert der richtige, bleibt die Einheit angeschaltet.

Will der Benutzer die Einheit abschalten, drückt er den Schnappschalter ebenfalls, aber langer. Während dieser Zeit entlädt der Kondensator 3o sich bis unter die Bezugsspannung 1, so daß der Leitungsschalter 45 abschaltet bzw. öffnet. Wenn der Benutzer dann den Schalter freigibt, liegt das hohe Signal von der gegenüberliegenden Leitungs-■ ader an den Kondensatoren. Die von dem Widerstand 39 und ' dem Kondensator 4o bestimmte Zeitkonstante verzögert das

Signal am Komparator 34, bis nach der Sperrung des Leitungsj schalters durch das Ausgangssignai des Komparators 36, so daß die Einheit gesperrt ist.

Während oben eine Ausführungsform und eine spezielle Anwendung der Erfindung dargestellt und erläutert wurden, ist dem Fachmann ersichtlich, daß Abänderungen möglich

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sind, ohne die Erfindung zu verlassen.Die -!Erfindung soll daher nur so weit beschränkt sein, wie es die Ansprüche im Verhältnis zum Stand der Technik festlegen.

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33 . Leerseite

Claims

G 16o2

P a t e η t a η s ρ r ü ehe

¹An eine Jechselstromquelle elektrisch anschließbare Vorrichtung rait einem Phasenleiter und einem Nulleiter, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einem oerührungsteil, den ein Benutzer der Vorrichtung berühren kann, mit einer "Einrichtung, um einen elektrischen Parameter des Benutzers gegenüber dein Phasen- oder dem Nulleiter der Wechsel stromquelle zu messen,ψβηη der Benutzer den Berührungsteil berührt, und mit einer Üchalteinrichtung, die elektrisch in Reihe mit dem Phasenleiter schaltbar ist, um die Vorrichtung von der Wechselstromquelle zu trennen, wenn der gemessene elektrische Parameter des Benutzers einen für ihn elektrisch gefährlichen Zustand anzeigt.
2. Vorrichtung nach Einspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein in der Hand zu haltendes Gerät handelt.
3. Vorrichtung nach ijispruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Gerät um einen Haartrockner handelt.
4. Vorrichtung nach iuisprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungsceil eine elektrisch leitfähige Platte aufweist.

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ORIGINAL INSPECTED

• ι.
5. Vorrichtung nach Einspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Jerührungsteil ein elektrisch leitfähiges Gitter aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem elektrischen Parameter um die Impedanz handelt und der elektrisch gefährliche Zustand für den benutzer auftritt, wenn die von der heßeinrichtung gemessene Impedanz unter einem vorbestimmten Wert liegt.
7. Vorrichtung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch gefährliche Zustand für den Benutzer vorliegt, wenn der Benutzer elektrisch eng mit :±rde verkoppelt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch gefährliche Zustand für den Benutzer auftritt, wenn der Benutzer mit entweder dem Phasen- oder dem IJulleiter der V/echselstromquelle elektrisch eng verkoppelt ist.
9. Vorrichtung nach iUispruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Vorrichtung eine Üteckeranordnung mit einem ersten und einem zweiten Kontaktstift aufweist, die lösbar elektrisch mit der WechselstroniquelIe verbunden werden können, wobei die Schalteinrichtung in der *3teckeranordnung enthalten ist.

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10. Vorrichtung nach. Anspruch 1, dadurch p;el-:ennzt:ichnet, daß weiterhin ein elektrisch ansprechfähiger ,-.rb;-;itsteil im Gehäuse vorgesehen ist und eine automatische Abschalteinrichtung elektrisch an die ^rbeitseinricatun^ angeschlossen ist, um diese abzuschalten, wenn der benutzer der Vorrichtung den Berührungsteil des Gehäuses freigibt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ es sich bei der schalteinrichtung u.a einen L'riac handelt.
12. Tragbares elektrisches, in der '{and zu haltendes Gerät, daß elektrisch an eine ./echselstromquelle mit einem Phasen- und einem .Tulleiter angeschlossen werden kann, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einem leitenden Jerührungsteil, der vom Benutzer des Geräts berührt werden kann, durch eine Einrichtung, um die Impedanz des Benutzers gegenüber dem Phasen- oder dem iiulleiter der V/ecliselstromquelle zu messen, wenn der Benutzer den Jerührungsteil berührt, und mit einer Schalt einrichtung, die elektrisch in lieihe mit dem Phasenleiter gelegt werden kann, um das Gerät elektrisch von der wechselstromquelle abzuschalten, wenn die Impedanz unter eine.a vorbestimmten /ert liegt und damit zeigt, daß der Benutzer sich in einem vorbestimmten elektrisch gefährlichen Zustand befindet.
13. Gerät nach .oispruch 12, gekennzeichnet weiterhin durch

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BAD ORIGINAL

einen elektrisch ansprechfähigen Arbeitsteil in dem Gehäuse und durch eine automatische Abschalteinrichtung, die elektrisch an die Arbeitseinrichtung angeschlossen ist und die Arbeitseinrichtung abschaltet, wenn der Benutzer des Geräts den Berührungsteil des Gehäuses freigibt.
14-. Tragbares, in der Hand zu haltendes elektrisches Gerät, daß elektrisch mit einer 'Jechselstromquelle mit einem Phasen- und einem NuIMter verbunden werden knnn, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einem leitfähigen Berührungsteil, den der Benutzer des Geräts berühren kann, durch eine Schaltungsanordnung zum Messen der Impedanz des Benutzers gegenüber dem Phasen- oder dem Nulleiter der Wechselstromquelle, wenn der Benutzer den Berührungsteil berührt, wobei die Schaltungsanordnung einen Kontaktimpedanzsignalwandler mit einem Eingangsanschiuß und einem Ausgangsanschluß, der elektrisch mit dem Berührungsteil verbunden ist, um am Ausgangsanschluß einen Zug proportionaler Gleichspannungsimpulse zu liefern, deren Pegel von der am Eingangsanschluß anliegenden Impedanz und einer Eingangsimpedanzsteuerung bestimmt wird, die elektrisch ebenfalls an dem Eingangsanschluß liegt, und eine Schalteinrichtung aufweist, die elektrisch in Reihe mit dem Phasenleiter schaltbar ist, um das Gerät von der Wechselstromquelle abzuschalten, wenn die Impedanz des Benutzers unter einem vorbestimmten Wert liegt und damit anzeigt, daß der Benutzer sich in einem vorbe-

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«P _f

stimmten elekti^isch gefährlichen Zustand befindet.
15. Gerät nach Anspruch 14-, dadurch p,ekennzcicane b, diß die -Jingangsimpodanzsteuerung einen widerstand enthälb.
16. Gerät nach .Anspruch 14-, gekennzeichnet weiterhin durch eine i-iückkopplungsverbindung, die den Ausgangsanschluß des Kontaktimpedanzsignalwandlers elektrisch mit dem eingang der i;ingangsimpedanzsteuerunß verbindet, so daß die Impedanz am -iingpjigsanschluß des Kontaktimpedanzsignalwandlers sich entsprechend dem Impulszug aus dem i/andler ändert.
17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ^ingangsiinpedanzsteuerung einen Spannungsteiler enthält.

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