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Sicherheitsschaltung für mit
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Wechsel spannung betriebene elektrische Heiz- oder Wärmegeräte.
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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltung für mit Wechselspannung
betriebene elektrische Heiz- oder Wärmegeräte, mit einer an der Betriebswechselspannung
liegenden Serienschaltung aus dem Heizleiter des Gerätes, einem durch Zündsignale
steuerbaren bidirektionalen Schalter, insbesondere Triac, und aus einem im Falle
eines Gefahrenzustandes öffnenden und dadurch den Heizleiter von der Betriebswechselspannung
trennenden Unterbrecherelement, und mit einem Zündsignalgenerator für
die
den Stromfluß im bidirektionalen Schalter auslösenden Zündsignale.
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Bei einer aus der DT-OS 25 46 573 bekannten Sicherheitsschaltung dieser
Art wird das in Serie mit dem Heizleiter liegende Triac in beiden Halbwellen der
Betriebswechselspannung gezündot, solange die von einem Temperaturfühler ernittelte
und mit einer Sollwerttemperatur vergleichbare Istwerttemperatur unter der Sollwerttemperatur
liegt. Der Heizleiter wird also mit beiden Halbwellen der Betriebswechselspannung
gespeist. Das Unterbrecherelement ist ein Relaiskontakt, der solange geschlossen
bleibt, wie die Istwertspannung des Temperaturfühlers eine fest vorgebbare Kontrollspannung
nicht unterschreitet.
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Zur Steuerung des Relais dient ein zweites Triac, das solange gezündet
wird und die Relaisspule mit Strom beaufschlagt, wie die Istwertspannung des Temperaturfühlers
über der Kontrollspannung liegt. Dadurch wird im Ergebnis die Funktionsfähigkeit
des Temperat1lrfühlers überwacht. Denn wenn die Fühlers -Us irgendeinem Grunde im
Leerlauf betrieben oder kurz geschlossen werden und dadurch die vom Temperaturfühler
abgegebene Spannung unter die Kontrollspannung abfällt, wird das die Relaisspule
steuernde Triac nicht
mehr gezündet, so daß der in Serie mit dem
Heizleiter liegende Relaiskontakt öffnet, dadurch den Heizleiter von der Betriebswechselspannung
trennt und auf diese Weise unzulässige Temperaturerhöhungen verhindert, die durch
den Ausfall des Temperaturfühlers möglicherweise entstehen könnten. -Im übrigen
sind aus der Praxis Sicherheitsschaltungen der eingangs genannten Art bekannt, die
jedoch kein im Falle eines Gefahrenzustandes öffnendes und den Heizleiter von der
Betriebswechselspannung trennendes Unterbrecherelement besitzen, aber wie die vorbeschriebene
Schaltung mit einer Überwachung des Temperaturfühlers derart arbeiten, daß der im
Falle eines Fühlerdefektes auftretende Abfall der Fühlerspannung unter den Wert
der fest eingestellten Kontrollspannung die weitere Zündung des mit dem Heizleiter
in Serie liegenden Triacs verhindert, so daß der den Stromfluß durch den Heizleiter
steuernde Tr.ac überhaupt sperrt und dadurch unzulässige Temperaturen des Heiz-
oder Wärmegerätes verhindert.
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Nachteilig bei diesen bekannten Sicherheitsschaltungen ist die Tatsache,
daß sie nur eine Überwachung des Teoraturfühlers ermöglichen. Unabhängig davon gibt
es aber bei den in Frage stehenden Heiz- oder
Wärmogeräten, insbesondere
bei schmiegsamen Wärmegerad., eine Reine weiterer wichtiger Zustandsparameter, dio
für den sichoron und ungefährlichen Betrieb des Gerätes erfaßt und beherrscht werden
sollten. So kommt neben oder an Stelle der Fühler-, also Istwertüberwachung auch
eine Sollwertüberwachung in Betracht, um durch Defekte in dem der Einstellung der
Sollwertspannung dienenden Schaltkreis bedingte Änderungen der Sollwertspannung
zu erfassen, die zu Schäden durch unzulässige Temperaturüberhöhungen führen könnten.
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Weiter kann, unabhängig davon, ob eine Temperaturregelung überhaupt
erfolgt, die Überwachung des Heizleiters auf möglichen Leiterbruch oder andere Unterbrechungen
erforderlich sein, wenn derartige Unterbrechungen durch Bewegung der unter Spannung
stehenden Leiterenden zu Funken- und Bogenbildungen und damit ebenfalls zu einer
Gefahrensituation führen können.
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Von Bedeutung, insbesondere für schmiegsame Wär;regeräte, ist auch
die Überwachung bezüglich des Auftretens sogenannter Ableitströme, die bei defekter
Isolation entstehen können und bei Ableitung über den menschlichen Körper Gefahr
für Gesundheit und Leben darstellen. Abgesehen vom Fehlen derartiger Überwachungsmöglichkeiten
besitzen die bekannten Schaltungen darüber hinaus den Nachteil, daß keine Selbstüberwachung
der die
Schaltung aufbauenden Schaltungskomponenten möglich ist,
von welchen aber jede ihrerseite prinzipiell eine potentielle Störungsquelle darstellt
und im Falle ihres Defektes dazu führen kann, daß je nach Art und Or der gestörten
Komponente der bidirektionale Schalter das unbeschrnnlcte Einschalten der vollen
zur Verfügung stehenden Betriebsleistung mit entsprechender Überhitzung des Heiz-
oder Wärmegerätes bewirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsschaltung
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit möglichst geringem Schaltungsaufwand
die Überwachung aller möglichen, zu unzulässigen Temperaturerhöhungen oder Gefährdungen
führenden Defekte möglich ist und so in die Sicherheitsschaltung eingebunden werden
kann, daß unerwünschte, durch Störungsfälle bedingte Temperaturerhöhungen oder andere
Gefährdungen sicher ausgeschlossen werden.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Heizleiter
eine Serienschaltung aus einem im Vergleich zum Heizleiter niederohmigen Nebenwiderstand
und eier Diode parallel geschaltet ist, daß ein mit der Betriebswechselspannung
synchronisierter Steuergenerator vorgesehen ist, der den Zündsignalgenerator
für
die in Durchlassrichtung der Diode gepolten lTalbwellen der Betriebswechselspannung
austastet, also für diese Halbwellen die Abgabe eines Zündsignales an den bidirektionalen
Schalter verhindert, der somit in diesen Halbwellen nichtleitend bleibt, daß ferner
mindestens ein diese Austastung des Zündsignalgenerators aufhebendes steuerbares
Schaltungsglied vorgesehen ist, dessen zur Aufhebung der Austastung führende Steuerspannungen
sich aus dem Auftreten von Gefahrenzuständen ableiten, für die diese Steuerspannungen
erzeugeride Überwachungsschaltungen vorgesehen sind, und daß das Unterbrecherglied
ein selbsttätig auf Überstrom ansprechendes Sicherungsbauteil ist, dessen Ansprechschwelle
unter dem bei Aufhebung der Austastung in Durchlassrichtung der Diode durch den
Nebonwiderstand fließenden großen Strom und über dem im Normalbetrieb nur in jeder
zweiten Halbwelle allein durch den heizleiter fließenden kleinen Strom liegt.
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Im Ergebnis liegt der Erfindung im wesentlichen der Gedanke zugrunde,
den Heizleiter durch entsprechende Steuerung des bidirektionalen Schalters nur in
jeder
zweiten Halbwelle der Betriebswechselspannung, also durch
Gleichstromimpulse zu speisen, die jeweils andere Halbwelle der Detriebswechselspannung
aber auszutasten, also im normalen Betrieb des Gerätes ungenutzt zu lassen, sie
jedoch im Fehlerfalle durch die dann aufgehobene Austastung dazu zu verwenden, über
den im Vergleich zum Heizleiter kleinen Nebenwiderstand einen so hohen Strom fließen
zu lassen, daß das Sicherungsbauteil abschaltet oder so zerstört wird, daß der Heizleiter
mit Sicherheit von der Betriebswechselspannung getrennt wird. Fehlerursachen, die
mit der Gefahr unzulässiger Temperaturerhöhungen verbunden sind oder Anlaß zu anderen
schwerwiegenden Gefährdungen geben, können daher so erfaßt und in dio Sicherheitsschaltung
eingebunden werden, daß sie die Austastung des Zündsignalgenerators aufheben. Der
bidirektionale Schalter wird dann in beiden Halbwellen der Betriebswechselspannung
leitend und ermöglicht in Durchlassrichtung der Diode den die Auslösung des Sicherungsbauteiles
bewirkenden großen Strom über den Nebenwiderstand. Dio so bewirkte Trennung des
Heizleitors von der Betriebawechselspannung tritt im übrigen auch trotz stattfindender
Austastung des Zündsignalgenerators dann ein, wenn durch einen Schaden des bidirektionalen
Schalters
seibst dieser in beiden Halbwellen dauernd kurzgeschlossen bleibt, also in der Ausführungsform
als Triac beispielsweise durchlegiert, weil dann nicht nur über den Iieizleiter,
sondern auch während jeder zweiten Halbwelle in Durchlaufrichtung der Diode der
das Sicherungsbauteil auslösende große Strom über den Nebenwiderstand fließt.
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Im Ergebnis wird auf diese Weise durch die Erfindung ein in seinem
Aufbau und seiner Wirkungsweise einheitliches Sicherheitssystem geschaffen, das
im einzelnen unabhängig davon ist, welche Gefahrenmöglichkeiten überwacht und beim
Eintritt des Gefahrenfalles durch die Erzeugung von Steuerspannungen für das die
Austastung des Zündsignalgenerators aufhebende Schaltungsglied berücksichtigt werden,
da diese Steuerspannungen unabhängig von der Art und dem Aufbau der den Gefahrenzustand
erfassenden Uberwachungsschaltungen in stets gleicher Weise in die erfindungsgemäße
Sicherheitsschaltung eingeführt werden können. Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung
ist daher bezüglich der zu übsrwachenden Gefahrenzustände beliebig erweiterbar,
ohne daß dazu die Grundschaltung einer wesentlichen Änderung oder Erweiterung bedürfte.
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Im einzelnen kann das Sicherungsbauteil ein unmittelbar durch Uberstrom
zerstörbares Sicherungselement oder auch ein im Falle des berstromos durch Überlastung
zerstörbarer Widerstand sein. Soll die Zerstörung vermieden werden, kann das Sicherungsbauteil
ein durch eine Erregerspule betätigter Trennschalter sein, dessen Errogerspule den
Nebenwiderstand bildet und den Trennschalter im Falle ihrer Erregung öffnet. In
besonders zweckmäßiger Ausführungsform kann der Trennschalter auch durch den von
Hand ein- und ausschaltbaren Netzschalter des Heiz- oder Wärmegerätes gebildet sein.
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Das Öffnen des Netzschalters im Defektfall ist dann an der sich ändernden
Schaltstellung des Schaltergriffes oder -hebels unmittelbar erkennbar.
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In der Regel wird man die Sicherheitsschaltung nach der Erfindung
mit einer Temperatur-Regelanordnung kombinieren, die einen das Heiz- oder Wärmegerät
überwachenden Temperaturfühler als Istwertgeber, einen Sollwertgeber und einen Istwert-Sollwert-Komparator
besitzt, der den Zündsignalgenerator so führt, daß die Zündsignale nur bei unter
der Sollwerttemperatur liegender Istwerttemperatur entstehen. Eine wegen ihrer Einfachheit
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung
eines
Triacs als bidirektionaler Schalter der Zündsignalgenerator ein an sich bekannter
Nullspannungsschalter ist, der als Zündsignalo im Nulldurchgang der Betriebswechselspannung
erscheinende Zündimpulse liefert, so daß Funkstörungen vermieden werden. Der Zcndsignalgenerator
kann einen vom Steuergenerator über das die Austastung aufhebende Schaltungsglied
beaufschlagbaren Sperrelngang besitzen, über den bei entsprechender Spannung am
Sperreingang die Austastung erfolgt. Der Zündsignalgenerator kann außer durch den
Istwert-Sollwert-Komparator durch einen einerseits von der Istwertspannung des Temporaturfühlers,
andererseits von einer Kontrollspannung beaufschlagten zweiten Komparator so geführt
sein, daß die Zündimpulse verschwinden, wenn die Istwertspannung den zwischen der
Sollwertspannung und der Kontrollspannung liegenden Spannungsbereich auch auf der
Seite der Kontrollspannung verläßt. Diese an sich bekannte Ausbildung und Führung
des Zündsignalgenerators ergibt zunachst die auch bei den eingangs erwähnten bekannten
Sicherheitsschaltungen schon bestehenden Vorteile: Der zweite Komparator ermöglicht
in besonders einfacher Weise die Überwachung des Temperaturfühlers, da die mit Kurzschlüssen
oder anderen Defekten im Fühler verbundene Verschiebung der Fühlerspannung gegenüber
der Kontrollspannung die Zündimpulse verschwinden läßt, so daß der mit dem
Heizleiter
in Serie liegende Triac überhaupt sperrt, der Heizleiter also nicht mehr gespeist
wird. - Im übrigen entsteht aber, abweichend von den bekannten Sicherheitsschaltungen,
deren Kontrollspannung einen fest eingestellten Wert besitzt, nach der Erfindung
nun die schaltungsmäßig besonders einache und daher bevorzugte flöglichkeit, daß
der Kontrollspannungseingang des zweiten Komparators zugleich den Sperreingang des
Zündsignalgenerators bildet. Vorzugsweise ist dazu vorgesehen, daß die Kontrollspannung
aus einem Gleichspannungsanteil und einem diesen überlagernden, vom Steuer generator
gelieferten Wechselspannungsanteil gebildet ist, die beide zur Austastung des Zündsignalgenerators
so aufeinander abgestimmt sind, daß der Wert der Kontrollspannung sich periodisch
über einen die Istwertspannung des Tempe;aturfühlers enthaltenden Spannungsbereich
ändert, also in denjenigen Halbwellen, zu deren Beginn die Kontrollspannung zwischen
der Istwertspannung und der Sollwertspannung liegt, die Austastung erfolgt, und
daß das die Austastung aufhebende Schaltungsglied zu diesem Zweck den Gleichspannungsanteil
der Kontrollspannung von der Istwertspannung in zur Sollwert spannung entgegengesetzter
Richtung so weit verschiebt, daß die Amplituden der Kontrollspannung den Spannungsbereich
zwischen der Istwert- und der Sollwertspannung nicht
mehr erreichen
Vorzugsweise ist der Gleichspannungsanteil der Kontrollspannung an einem Spannungsteiler
abgegriffen, der in Serie mit der Emitter-Collektorstrecke eines Transistors liegt,
der das die Austastung aufhebende Schaltungsglied bildet und dessen Basis die sich
aus den Gefahrenzuständen ableitenden Steuerspannungen zugeführt sind. Je nach zugeführter
Steuerspannung leitet oder sperrt der Transistor und verschiebt dadurch den Gleichspannungsanteil
der Kontrollspannung gegenüber der Istwertspannung des Temperaturfühlers in der
für die Austastung des Zündsignalgenerators oder deren Aufhebung erforderlichen
Weise.
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Im einzelnen kann im Rahmen der Erfindung eine Überwachungsschaltung
für den die Sollwertspannung bildenden Schaltkreis vorgesehen sein, wozu die Basis
des Transistors über Vorwiderstände an das maximalem Sollwert entsprechende Ende
eines zur Sollwerteinstellung vorgesehenen Potentiometers angeschlossen ist.
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Treten dann in dem die Sollwertspannung bildenden Schaltkreis Defekte
auf, die zu eine -1schten Erhöhung der Sollwert spannung führen, wird der Transistor
über seine Basis so geschaltet, daß die Austastung des Zündsignalgenerators aufgehoben
wird.
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Weiter kann im Rahmen der Erfindung eine Überwachungsschaltung für
den Heizleiter zur Feststellung eines Heizleiterbruches vorgesehen sein. Sie muß
in der Lage sein zu erfassen, daß trotz gegebenem Zündsignal ein anschließender
Stromfluß durch den Heizleiter (wegen des Heizleiterbruches) ausbleibt. Eine dazu
im Rahmen der Erfindung besonders geeignete Überwachungsschaltung ist dadurch gekennzeichnet,
daß sie einen über einen Widerstand und eine Diode von den Zündsignalen aufladbaren
Kondensator, einen bei einsetzendem Stromfluß durch den Heizleiter leitend geschalteten
Entladetransistor für den Kondensator, und einen bei fehlender Kondensatorentladung
auf die dann über mehrere Zündimpulse hinweg wachsende Kondensatorspannung ansprechenden
Steuertransistor aufweist, der die Steuerspannung für das die Austastung aufhebende
Schaltungsglied erzeugt, wozu er an die Basis des dieses Schaltungsglied bildenden
Transistors angeschlossen sein 'tan. Eine solche Überwachungsschaltung für den Heizleiter
kann in sehr einfacher Weise und mit einer Überwachungsschaltung für den Temperaturfühler
kombiniert werden, wenn der Zündsignalgenerator nur einen Sperreingang ohne eine
mit der Istwertspannung des Fühlers vergleichbare Kontrollspannung aufweist, also
kein zweiter Komparator vorgesehen ist. Denn in diesem Fall muß auch die Überwachung
des
Fühlers mittels einer Steuerspannung für das die Austastung des Zündgenerators aufhebende
Schaltunesslied erfolgen. Eine insoweit bevorzugte Schaltungsanordnung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Überwachungselnrichtung für den Temperaturfühler aus einer
hochohmigen Serienschaltung aus einer Zenerdiode und einem Widerstand besteht die
diodenseitig an die Istwertleitung des Fühlers und widerstandsseitig an die Basis
des Steuertransistors angeschlossen ist. Ein Kurzschluß oder anderer Defekt im Fühler
oder den Füiilerleitungen zündet dann den Steuertransistor in gleicher Weise wie
eine sich am Kondensator der Überwachungsschaltung für den Heizleiter zu hoch aufbauende
Kondensatorspannung, so daß wiederum eine Steuerspannung fi;r den das die Austastung
aufhebende Schaltungsglied bildenden Transistor entsteht.
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Auch kann im Rahmen der Erfindung ohne weiteres eine Überwachungsschaltunzur
Erfassung von Ableitströmen gcfährlicher Größe vorgesehen werden. Sie besteht vorzugsweiso
aus einem die Ströme in beiden Leitungen der Betriebswechselspannung siiberwachenden
Differentialtransformator, dessen Signalwicklung über einen Gleichrichter die Steuerspannung
für das die Austastung aufhebende Schaltungsglied erzeugt, wozu die Steuerspannung
bei
der bereits erwähnten Ausbildung des Schaltungs gliedes als Transistor ebenfalls
auf dessen Basis geführt sein kann.
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Der Steuergenerator für die Austastung des Zündsignalgenerators besteht
in seiner einfachsten und daher im Rahmen der Erfindung bevorzugten Ausführungsform
aus im wesentlichen zwei in Serie geschalteten Widerständen, die einerseits an die
spannungführende Phase der Betriebswechselspannung, andererseits an den Sontrollspannungseingang
des zweiten Komparators angeschlossen sind und an ihrem Verbindungspunkt miteinander
an zwei den Wechselspannungsanteil der Kontrollspannung stabilisierenden Klemmdioden
liegen, sowie aus einem ebenfalls an den Kontrollspannungseingang angeschlossenen
Kondensator, der eine Phasenverschiebung des Wechselspannungsanteils der Kontrollspannung
gegenüber der Betriebswechselspannung erzeugt. Diese Phasenverschiebung bewirkt,
daß die Kontrollspannung beim Nulldurchgang der Betriebswechselspannung von deren
vorhergehender Halbwelle noch so beeinflußt ist, daß sie je nach Polarität dieser
Halbwelle das Zündsignal für die'nächstfolgende Halbwelle erscheinen oder austasten
läßt.
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Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild zur schematischen
Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Sicherheitsschal tung, Fig.
2 das Schaltbild einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung
unter Verwendung eines integrierten Sullspannungsschalters, Fig. 3 ein Blockschaltbild
zur Erläuterung der Funktion weise des in der Schaltung von Fig. 2 verwendeten integrierten
Nullspannungsschalters.
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Fig. 4 eine gegenüber Fig. 2 geringfügig geänderte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung.
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In den Fig. 1 und 2 ist der Nulleiter der Betriebswechselspannung
mit 0, der die Phasenspannung führende Leiter mit U bezeichnet, An beiden Leitern
O, U liegt eine Serienschaltung, die aus dem Heizleiter RHdes Gerätes, beispielsweise
eines schmiegsamen Wärmegerätes, ferner aus einem durch Zündsignale steuerbaren
bidirektionalen Schalter Tr, im
Ausführungsbeispiel einem TriacX
und aus einem im Falle eines Gefahrenzustandes öffnenden und dadurch den Heizleiter
von der Betriebswechselspnnung trennenden Unerbrecherelement Si besteht. Dem Heizleiter
RH ist eino Serienschaltung aus einem im Vergleich zum Heizleiter niederohmigen
Nebenwiderstand und uns einer Diode D2 parallel geschaltet. Bei entsprechender Zündung
des Triacs ist daher der in Durchlaßrichtung der Diode D2 durch den Nebenwiderstand
RN fliegende Strom wesentlich größer als der allein durch den höherohmigen Heizleiter
RH mögliche Strom. Das Unterbrecherelement Si ist ein gegen Überstrom empfindliches
Sicherungsbauteil, dessen Ansprechschwelle unter dem in Durchlaßrichtung der Diode
D2 durch den Nebenwiderstand RN möglichen großen Strom und über dem allein durch
den Heizleiter RH möglichen kleinen Strom liegt. Spricht das Sicherungsbauteil Si
bei einem seine Ansprechschwelle überschreitenden Strom an, kann es je nach Art
und Aufbau ausschalten odor durch Überlastung so zerstört werden, daß der Heizleiter
RH sicher von der Betriebswechselspannung getrennt wird. So ist im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 das Sicherungsbauteil Si ein niederohmiger Vorwiderstand R22, dessen
Leistung so klein gewählt ist, daß er durch den über D2 und RN möglichen großen
Strom zerstört wird, dem allein über RH möglichen kleinen Strom aber ohne weiteres
standhält.
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Ferner ist, Bezug nehmend auf das Blockschaltbild der Fig. 1, ein
mit ZG bezeichneter Zündsignalgenerator vorgesehen, der von einem Istwert-Sollwert-Komparator
Ki so geführt wird, daß der Triac Tr über die Leitung Lz Zündsignale, die den Stromfluß
im Triac auslösen, nur empfängt, wenn die am Temperaturfühler F erfaßte Istwerttemperatur
unter der Sollwerttemperatur liegt, die mittels eines mit SG bezeichneten Sollwertgebers
einstellbar ist. Ein ebenso wie der Zündsignalgenerator ZG über die Leitung Ls mit
der Betriebswechselspannung synchronisierter Steuergenerator SG kann den Zündsignalgenerator
ZG für die in Durchlassrichtung der Diode D2 gepolten Halbwelien der Betriebswechselspannung
austasten, also für diese Halbwellen die Abgabe eines Zündsignales an das Triac
Tr verhindern, das somit in diesen Halbwellen sperrt. Die Schaltung verfügt weiter
über mindestens ein diese Austastung des Zündsignalgenerators ZG verhinderndes und
dazu steuerbares Schaltungsglied TG Die zur Verhinderung der Austastung führenden
Steuerspannungen, die dem Schaltungsglied TG über Leitungen L1 bis L4 anliegen,
leiten sich aus dem Auftreten von Gefahrenzuständen ab, für die diese Steuerspannungen
erzeugende 1berwachungssc;.altungen U1, U2, U3, U4 vorgesehen sind. In Fig. 1 sind
vier
solcher Überwachungsschaltungen dargestellt, nämlich die Überwachungsschaltung
U1 für den Temperaturfühler F, die Überwachungsschaltung U2 für den Sollwertgeber
SG, die Überwachungsschaltung U4 für den Fall eines Heizleiterbruches und die Überwachungsschaltung
U3 zum Feststellen von Ableitungsströmen. Auf die Funktionsweise dieser Überwachungsschaltungen
wird später im einzelnen noch eingegangen.
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Im normalen ungestörten Betriebsfall werden die in Durchlaßrichtung
der Diode D2 gepolten, im Ausführungsbeispiel also negativen Halbwellen der Betriebswechselspannung
durch den Steuergenerator SG ausgetastet, so daß in diesen Halbwellen das Triac
Tr ungezündet bleibt, also weder durch den Heizleiter RH noch durch seinen Nebenwiderstand
RN Strom fließt.
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Der Heizleiter RH wird daher bei unter der Sollwerttemperatur liegender
Istwerttemperatur allein durch die positiven Halbwellen der Betriebswechselspannung
gespeist, was durch eine ihm vorgeschaltete, umgekehrt wie die Diode D2 gepolte
Diode D1 nicht behindert wird. Erreicht die Istwerttemperatur die Sollwerttemperatur,
sperrt das Triac Tr auch in den positiven Halbwellen der Betriebswechselspannung,
und der Heizleiter RH bleibt so lange gänzlich ungespeist, bis die
Istwerttemperatur
wieder unter die Sollwerttemperatur abfällt. Das Regelverhalten kann dabei das eines
Zweipunktreglers oder eines Proportionalreglers sein.
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Wird jedoch von, einer der Überwachungsschaltungen U1 bis U4 ein Gefahrenfall
festgestellt und übor die Leitungen L1 bis L4 die dann von der entsprechenden Überwachungsschaltung
erzeugte Steuerspannung dem Schaltungsglied TG zugeführt, so bewirkt dies die Aufhebung
der Austastung mit dem Ergebnis, das das Triac Tr jetzt in jeder Halbwelle der Betriebswechselspannung
gezündet wird. Das führt in Durchlaßrichtung der Diode D2 zu dem hohen Strom über
den Nebenwiderstand RN, der das Sicherungsbauteil Si zum Ansprechen bringt und im
Ergebnis die völlige Trennung des Gerätes von der Betriebswechselspannung bewirkt.
Außer in diesen Fehlerfällen spricht das Sicherungsbauteil Si aber auch dann an,
wenn das Triac Tr durchlegiert und damit in beiden Stromrichtungen einen ständigen
Kurzschluß bildet. Denn auch dieser Fallermöglicht in Durchlaßrichtung der Diode
D2 den großen Strom über den Nebenwiderstand R. Um in allen diesen Fehlerfällen
zu verhindern, daß der Heizleiter RH in beiden Halbwellen der Betriebswechselspannung
belastet und dadurch
bis zum Ansprechen des Sicherungselementes
Si überlastet wird, ist die schon erwähnte Diode D1 vorgesehen, die den Stromfluß
durch den Heizleiter immer nur auf die in ihrer Durchlaßrichtung gepolte im Ausführungsbeispiel
positive Halbwelle der Betriebswechselspannung beschränkt.
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Im einzelnen wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 von einer als
Block B dargestellten integrierten Schaltung Gebrauch gemacht, die auf dem Markt
als sogenannter Nullspannungsschalter verfügbar ist und deren Funktion anhand der
Fig. 3 kurz erläutert werden soll. Sie er zeugt, gesteuert durch eine Synchronisationseinheit
B2, beim Nulldurchgang der mit ihrem spannungsführenden Leiter U an den Anschlußpunkt
5 geführten Betriebswechselspannung über einen Ausgangsverstärker B1 am Ausgang
6 auftretende Zündimpulse für ein Triac oder andere geeignete Halbleiter-Schaltglieder.
Weiter besitzt die integrierte Schaltung B drei Eingänge, nämlich den mit 1 bezeichneten
Eingang für die Istwertspannung, den mit 8 bezeichneten Eingang für die Sollwert
spannung und den mit 2 bezeichneten Eingang für eine bezüglich ihrer Funktion noch
zu erläuternde Kontrollspannung. Der Istwert-Sollwert-Komparator K1 der Fig. 1 ist
unmittelbar in die Schaltung B integriert,
ebenso wie ein zweiter
Komparator S2 für die Istwertspannung einerseits und die Kontrollspannung andererseits.
Beide Komparatoren K1, K2 führen über den Schaltungsteil B3 den Ausgangsverstärker
B1 in der Weise, daß die Zündimpulse im Ausgang 6 nur auftreten, wenn die Istwertspannung
im Spannungsbereich zwischen der Sollwertspannung und der Kontrollspannung liegt.
Über den Anschluß 5 wird im übrigen ein Spannungsversorgungsteil B4 gespeist, das
in nicht dargestellter Weise die einzelnen Schaltkreise der integrierten Schaltung
B mit der erforderlichen Betriebsgleichspannung versorgt, die im übrigen im Anschlußpunkt
7 als negative Spannung von etwa -14V zum Betrieb weiterer, externen Schaltkreise
abgegriffen werden kann. Der positive, an Masse liegende Pol dieser Betriebsgleichspannung
ist am Anschlußpunkt 4 zugänglich. Schließlich enthält die integrierte Schaltung
B einen Spannungsstabilisator B5, der eine am Anschlußpunkt 3 verfügbare stabilisierte
negative Brückengleichspannung von etwa -7,7V liefert.-Bei der Schaltung nach Fig.
2 liegt der Anschlußpunkt 4 an der Schaltungsmasse, die mit dem Nulleiter 0 der
Betriebswechselspannung verbunden ist. Der Anschlußpunkt 7 der integrierten Schaltung
B liegt aneinem Kondensator C1, der die im Ausführungsbeispiel für weitere externe
Schaltkreise nicht benötigte Betriebsgleichspannung
für den Betrieb
der internen Schaltkreise glättet. Der Anschlußpunkt 5 ist an den spannungführenden
Leiter U der Betriebswechselspannung über eine Diode D3 und einen Vorwiderstand
R 19 angeschlossen.
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Der Diode D3 ist ein Widerstand R11 parallel geschaltet.
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Die Diode D3 ist so gepolt, daß sie in den negativen Halbwellen der
Betriebswechselspannung leitet, so daß die negative Betriebsgleichspannung der integrierten
Schaltung B im wesentlichen nur durch Stromfluß in diesen Halbwellen und nur über
den Vorwiderstand R19 aufgebaut wird, während die im wesentlichen nur für die Synchronisationszwecke
benutzten positiven Halbwellen der Betriebswechselspannung über die höherohmige
Serienschaltung aus R11 und R19 dem Anschlußpunkt 5 zugeführt werden.
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Die Brückenspannung vom Anschlußpunkt 3 der integrierten Schaltung
B speist eine Widerstandsbrücke zur Bildung der Istwert- und Sollwertspannungen
und ist durch einen Kondensator C2 geglättet. Die Widerstandsbrücke besteht einerseits
aus der Serienschaltung eines Widerstandes R1 und eines als Temperaturfühler F dienenden
Temperaturabhängigen Widerstandes R2 zur Istwertbildung. Im Ausführungsbeispiel
ist R2 ein PTC-Widerstand, jedoch kann bei Vertauschung von R1 und R2 für letzteren
auch ein NTC-Widerstand gewählt
werden. Auch ist es möglich, für
R2 einen mit dem Heizleiter RH kombinierten Drahtleiter mit möglichst hohem Temperaturkoeffizienten
zu wählen, um den Istwert aus einer integrierenden Flächenmessung zu bilden.
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Andererseits besteht die Widerstandsbrücke aus einer den Sollwert
bildenden Serienschaltung eines Widerstandes R3, eines den Sollwertgeber SG in Fig.
1 bildenden Psotentiometers P1, eines Widerstandes R4 und eines Justierpotentiometers
P2. Außer dieser Widerstandsbrücke speist die Brückenspannung des Anschlußpunktes
3 der integrierten Schaltung B eine dritte Serienschaltung aus der Emitter-Collektor-Strecke
eines pap-Transistors T1, einem Widerstand R7 und einem Widerstand R8, an dem die
Kontrollspannung für den Anschlußpunkt 2 der integrierten Schaltung B abgenommen
wird. Die Basis des Transistors T1 liegt über Widerstände R5 und R6 am Brückenwiderstand
R3 der die Sollwertspannung bildenden Serienschaltung. Die Widerstände R5, R6, R7
und R8 sind im Vergleich zu den Brückenwiderständen R1, R2, R3, P1, R4 und P2 hochohmig.
Der durch R3 fließende Brückenstrom bleibt daher durch den Anschluß der Widerstände
R5 und R6 praktisch unbeeinflußt, sorgt aber durch die am Brückenwiderstand R3 abfallende
Spannung für eine
entsprechende negative Spannung an der Basis
des Transistors T1, der somit normalerweise leitend ist und das collektorseitige
Ende des Widerstandes R7 auf dem Massepotential hält. Dieser Transistor T1 bildet
im Ausführungsbeispiel das Schaltungsglied TG, wie im einzelnen noch erläutert wird.
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Der Anschlußpunkt 2 der integrierten Schaltung B ist weiter an einen
anderseits an Masse liegenden Kondensator C3 und an eine Serienschaltung aus zwei
Widerständen R9 und R10 angeschlossen, von welchen R10 mit dem Anschlußpunkt 5 der
integrierten Schaltung B verbunden ist und daher von dort eine mit der Betriebswechselspannung
synchrone Wechselspannung erhält. Um dabei von Schwankungen der Betriebswechselspannung
möglichst unabhängig zu sein, ist der Verbindungspunkt der Widerstände R9 und R10
an zwei Dioden D5 und D6 angeschlossen, von welchen D5 an der Schaltungsmasse, D6
am Anschlußpunkt 3 der integrierten Schaltung B liegt. Die Dioden sind so gepolt,
daß der Verbindungspunkt von R9 und R10 bei positiver Halbwelle der Betriebswechselspannung,
festgehalten durch die Diode D5, im wesentlichen nicht über das Massepotential ansteigen,
bei negativer Halbwelle der Betriebswechselspannung, festgehalten durch die
Diode
D6, im wesentlichen nicht unter den Wert der negativen Brückenspannung (in negativer
Spannungsrichtung gesehen) abfallen kann. Die sich so etwa trapezförmig am Verbindungspunkt
von R9 und R10 bildende Wechseispannung erscheint, geteilt im Verhältnis der Widerstände
R8 und R9 und durch den Kondensator C3 phasenverschoben gegenüber der Betriebswechselspannung,
am Anschlußpunkt 2 der integrierten Schaltung B. Im Ergebnis setzt sich die diesem
Anschlußpunkt 2 zugeführte Kontrollspannung aus einem vom Spannungsteiler T1, R7
und R8 gebildeten Gleichspannungsanteil und einem vom Spannungsteiler R8, R9 und
R10 in Verbindung mit den Dioden D5 und D6 und dem Kondensator C3 gebildeten Wechselspannungsanteil
zusammen. Der Kondensator C3, die Widerstände R9 und R10 und die Dioden D5 und D6
bilden somit im wesentlichen den Steuergenerator SG des Blockschaltbildes nach Fig.
1.
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Beide Spannungsanteile, also der Gleichspannungs und der Wechselspannungsanteil
der Kontrollspannung, sind so aufeinander abgestimmt, daß der Wert der Kontrollspannung
sich periodisch über einen die Istwertspannung des Temperaturfühlers enthaltenden
Spannungsbereich ändert. Die Kontrollspannung liegt so
mit periodisch
abwechselnd über und unter der am Anschluß 1 der integrierten Schaltung B anliegenden
Istwertspannung. In denjenigen Halbwellen der Betriebswechselspannung, zu deren
Beginn die Kontrollspannung in positiver Spannungsrichtung gesehen, oberhalb der
Istwertspannung, also im Bereich zwischen dieser und der Sollwertspannung liegt,
erfolgt die Unterdrückung, also die Austastung des Zündimpulses, während in denjenigen
Halbwellen, zu deren Beginn die Kontrollspannung unter der Istwertspannung liegt,
der Zündimpuls erscheint, um das Triac Tr für diese Halbwellen der Betriebswechselspannung
zu zünden. Die dazu erforderliche Phasenlage des Wechselspannungsanteiles der Kontrollspannung
im Vergleich zur Betriebswechselspannung wird durch don Kondensator C3 hergestellt.
Er wird in der negativen Halbwelle der Betriebswechselspannung negativ aufgeladen
und nach Maßgabe der für seine Entladung geltenden Zeitkonstanten bis zum Beginn
der nächstfolgenden positiven Halbwelle der Betriebswechselspannung auf einer so
großen negativen Ladespannung gehalten, daß die Kontrollspannung unterhalb der Istwertspannung
liegt und der Zündimpuls zur
Zündung des Triacs in der positiven
Halbwelle der Betriebswechselspannung entstehen kann. Während dieser positiven Halbwelle
wird dann der NondQnsator C3 in positiver Richtung auf einen Spannungswert über
der Istwertspannung umgeladen und behält diese Ladespannung wiederum bis zum Beginn
der nächstfolgenden negativen Halbwelle der Betriebswechselspannung soweit bei,
daß die Kontrollspannung noch über der Istwertspannung liegt und also in dieser
negativen Halbwelle kein Zündimpuls entstehen kann.
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Das gilt jedoch nur, solange der Transistor T1 leitet, der das die
Austastung aufhebende Schaltungsglied TG in Fig. 1 bildet. Um die Austastung aufzuheben,
wird der Transistor T1 gesperrt und dadurch der Gleichspannungsanteil der Kontrollspannung
von der Istwertspannung in zur Sollwert spannung entgegengesetzter, im Ausführungsbeispiel
also negativer Richtung soweit verschoben, daß die Amplituden der Kontrollspannung
den Spannungsbereich zwischen der Istwert- und der Sollwertspannung nicht mehr erreichen,
die Kontrollspannung also die Istwertspannung in positiver Spannungseinrichtung
gesehen nicht Dehr
iiberschreitet. Dann erscheinen die Zündlipulse
für jede Halbwelle der Betriebswechselspannung, so daß sich nun in Durchflußrichtung
der Diode D2 über den kleinen Nebenwiderstand RN der hohe, zur Ausiösung des Sicherungsbauteiles
Si führende Strom aufbauen kann.
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Die Sperrung des Transistors Tl ist im Ausführungsbeispiel der Schaltung
nach Fig. 2 auf zwei Weisen möglich. Dio erste Möglichkeit besteht darin, daß in
der die Sollwertspannung bildenden Sorienschaltung aus R3, P1, R4 und P2 durch einen
Defekt entweder der Anschluß des Potentiometers P1 an die Brückenspannung des Anschlußpunktes
3 der integrierten Schaltung B unterbrochen oder der das Potentiometer P1 mit der
Masse verbindende 'a'iderstand R3 kurzgeschlossen wird.
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Beides ergäbe ein unkontrolliertes Ansteigen des Sollspannungswertes
in positiver Spannungsrichtung und dadurch eine oberlastung und Überhitzung des
Heizleiters. Ehe jedoch derartige Fehlerfolgen eintreten können, wird bei der dargestellten
Sicherheitsschaltung als unmittelbares Ergebnis solcher Defekte die Basis des Transistors
T1 über die Widerstände R5 und R6 praktisch auf Massopotential gelegt, so daß der
Transistor T1
sofort sperrt, also die Austastung aufgehoben und
im Ergebnis das Sicherungsbauteil Si zum Ansprechen gebracht wird. Die Widerstände
R3, R5 und R6 bilden also im wesentlichen die Sollwertüberwachungsschaltung U2 des
Blockschaltbildes nach Fig. 1.- Die zweite Möglichkeit, den Transistor T1 zu sperren
und dadurch das Sicherungsbauteil Si zum Ansprechen zu bringen, ergibt sich durch
einen Bruch des Heizleiters RH Die dafür vorgesehene, in Fig. 2 mit U4 bezeichnete
Überwachungsschaltung, besitzt einen über einen Widerstand R16 und eine Diode D4von
den Zündsignalen mit einem Teil ihrer Impulsenergie aufladbaren Kondensator C4,
für den ein Entladetransistor T3 vorgesehen ist, der bei einsetzendem Stromfluß
durch den Heizleiter RH mit Hilfe des dann an in Serie mit dem Heizleiter liegenden
Vorwiderständen R15 entsprechender Belastbarkeit entstehenden Spannungsabfalles
leitend geschaltet wird, so daß sich am Kondensator C4 durch die stets wiederkehrende
Entladung keine größere Kondensatorspannung aufbauen kann. Fehlt aber diese immer
widerkehrende Kondensatorentladung, weil wegen Bruchs des Heizleiters RH koin Stromfluß
durch die Widorstände R15 und daher an ihnen auch kein Spannungsabfall mehr entstehen
kann, der den Transistor T3 leitend
schalten könnte, so kann die
Spannung am Kondensator C4 über einige Zündimpulse hinweg soweit anstoigen, daß
sie über den Widerstand R13 einen normalerweise durch einen Basiswiderstand R12
gesperrten Steuertransistor T2 leitend schaltet, der dadurch eine den Transistor
T7 sperrende Steuerspannung erzeugt, indem er die Basis des Transistors T1 praktisch
mit der Schaltungsmasse verbindet. Die weiter im Blockschaltbild der Fig. 1 vorgesehene
Fühlerüberwachungsschaltung U1 wird in der Schaltung nach Fig. 2 zwar im Ergebnis
ebenfalls verwirklicht, arbeitet aber nicht wie in Fig. 1 auf das Schaltung teil
TG, also auf den Transistor Tt der Fig. 2, sondern ist mit Hilfe des Komparators
K2 in die Schaltung B integriert. Wird nämlich durch einen Defekt der Fühlerwiderstand
R2 oder der Serienwiderstand R1 kurzgeschlossen oder unterbrochen, so verläßt die
zwischen R1 und R2 abgegriffene Istwertspannung sofort den die Zündimpulse allein
ermöglichenden Spannungsbereich zwischen der Sollwertspannung und der Kontrollspannung,
mit dem Ergebnis, daß das Triac Tr überhaupt nicht mehr zünden kann, jeglicher Stromfluß
durch den Heizleiter RH also unterbleibt. Derartige Fehler führen somit ebenfalls
nicht zu einer Temperaturerhöhung.
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Die Fehlerüberwachung nach Fig. 2 ist jedoch nur möglich, wenn die
integrierte Schaltung B den zweiten Komparator K2 tatsächlich besitzt. Das muß jedoch
nicht der Fall sein. So sind derartige integrierte Schaltungen auch in Ausführungsformen
bekannt, in welchen der Komparator K2 fehlt und der Anschlußpunkt 2 lediglich einen
Sperreingang darstellt, von dessen Eingangsspannung es allein ohne Rücksicht auf
die Istwertspannung am Anschlußpunkt 1 abhängt, ob die Zündsignale ausgetastet werden
oder nicht. Dieser Fall ist in Fig. 4 dargestellt, der sich -abgesehen von dem erwähnten
anderen internen Aufbau der integrierten Schaltung B,- von den: der Fig. 2 nur durch
eine andere Überwachungsschaltung für den durch den Widerstand R2 repräsentierten
Temperaturfühler unterscheidet. Und zwar ist im Ausführungsbeispiel diese Überwachungsschaltung
mit der Überwachungsschaltung für den Heizleiter R kombiniert, H um einen möglichst
einfachen Schaltungsaufbau zu erhalten. Sie besteht im einzelnen aus einer hochohmigen
Serienschaltung aus einer Zenerdiode D7 und einem Widerstand R17. Die Serienschaltung
ist diodenseitig an die Istwertleitung des Punktes 1 der integrierten Schaltung
B und widerstandsseitig an die Basis des Steuertransistors T2 angeschlossen. Verändert
sich die Istwertspannung des Fühlers infolge
eines Defektes über
den normalen Betriebsbereich hinaus zu größeren negativen Spannungswerten, so hat
dies über D7 und R17 auf die Basis von T2 dieselbe Wirkung wie die sich im Falle
eines Heizleiterbruches am Kondensator C4 aufbauende negative Spannung, nämlich
die Zündung des Steuertransistors T2 und als Folge davon die Sperrung des Transistors
T1 mit dem schon besprochenon Ergebnis einer Änderung des Gleichspannungsanteiles
der Eingangsspannung am Sperreingang 2 soweit, daß der Wechselspannungsanteil keine
Austastung der Zündimpulse für die in Durchlaßrichtung der Diode D2 gepolten Halbwellen
der Betriebswechselspannung mehr bewirken kann, die Austastung also aufgehoben wird.
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Die schließlich noch im Blockschaltbild der Fig. 1 grob schematisch
angedeutete Überwachungsschaltung U3 zur Erfassung von Ableitströmen gefährlicher
Größe ist in der Schaltung nach Fig. 2 der . Jbersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.
Sie kann in einfachster Ausführungsform aus einem Differentialtransformator bestehen,
dessen gegeneinander geschaltete Differentialwicklungen, die in Fig. 1 schematisch
bei DW angedeutet sind, die Ströme in den beiden Leitungen 0, U der Betriebswechselspannung
überwachen. Die nicht dargestellte Signalwicklung des Differentialtransformators
kann
über einen ebenfalls nicht dargestellten Gleichrichter eine
Steuerspannung erzeugen, die über die Leitung L3 in Fig. 1 das Schaltungsglied TG
im Sinne einer Aufhebung der Austastung ansteuert, wenn als Folge bestehender Ableitströme
in den beiden Leitungen 0 und U der Betricbswechselspannung verschiedene Ströme
fließen. In der Schaltung nach Fig. 2 kann eine derart erzeugte Steuerspannung ebenfalls
auf die Basis des das Schaltungsgliod TG bildenden Transistors T1 gegeben werden,
um den Transistor T1 zu sperren und dadurch das Sicherungsbauteil Si wiederum zum
Ansprechen zu bringen.
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L e e r s e i t e