DE2849529A1 - Einpoliger spannungspruefer - Google Patents

Description

Dr.-lng. Reimar König ■ Dipl.-lng. Klaus Bergen Cecilienallee "76 Λ Düsseldorf 3d Telefon 452DDB Patentanwälte

13. Nov. 1978 32 577 K

IPA Internationale Patent- und Lizenzanstalt

Vaduz/Lichtenstein, Aeulestraße 38

"Einpoliger Spannungsprüfer"

Die Erfindung betrifft einen einpoligen Spannungsprüfer für hohe Wechselspannungen mit einem Kontaktfühler, einer mit der Erde kapazitiv zusammenwirkenden Masse, einer mit mindestens einem aufladbaren Kondensator verbundenen Gasentladungslampe und einer über einen Transformator von einem Relaxationsoszillator bei Anliegen einer Spannung am Kontaktfühler ansteuerbaren Steuerelektrode.

Derartige einpolige Spannungsprüfer bestehen im wesentlichen aus einem Eingangskontakt oder Kontaktfühler sowie elektrisch leitenden Bauelementen, die mit der Erde kapazitiv zusammenwirkt. Wird der Kontaktfühler mit einem Leiter in Berührung gebracht, der mit Bezug auf die Erde unter einer Wechselspannung steht, fließt ein sehr kleiner Strom in der Größenordnung von 10 bis 100 Mikroampere, der von der Höhe der Spannung im Raum zwischen dieser Masse und der Erde abhängt. Der Spannungsprüfer weist ferner eine Anzeige auf, das ein Signal aussendet, sobald der Strom einen vorbestimmten Wert erreicht, der der Em-

030Ü22/0U8

pfindlichkeitsschwelle des Gerätes entspricht. Um eine Verbindung mit einem Leiter herzustellen, dessen Spannungszustand festgestellt werden soll, werden diese Geräte oft am Ende eines Isolierstabes angebracht, dessen Länge mehrere Meter beträgt, wenn es sich um sehr hohe Spannungen handelt. Bei derartigen Längen darf das Gerät nur höchstens einige hundst Gramm wiegen, sonst ist es praktisch unbenutzbar. Hieraus ergibt sich, daß viele theoretisch brauchbare Prüfsysteme für die Praxis nicht infrage kommen, da sie nicht innerhalb der Gewichts- und Abmessungsgrenzen liegen.

Die älteäben und einfachsten Spannungsprüfer bestehen aus Gasentladungsröhren, die zum Beispiel mit Neon gefüllt und in Serie zwischen dem Kontaktfühler und der Masse angeordnet sind. Aufgrund des sehr kleinen kapazitiven Stromes ist die Entladungsenergie niedrig. Es ist zwar auf verschiedenste Weise versucht worden, die Leuchtkraft zu verbessern, aber die Möglichkeiten sind begrenzt und erlauben es nicht, ein so starkes Licht zu erzeugen, daß dieses auch dann deutlich erkennbar ist, wenn die Umgebungsbeleuchtungsstärke sehr groß ist, insbesondere außerhalb von Gebäuden bei Tageslicht.

Diesen Mangel soll der in der US-Patentschrift 3 660 757 beschriebene Spannungsprüfer abhelfen. Bei diesem Spannungsprüfer werden mehrere Kondensatoren über Gleichrichter durch den zwischen dem Kontaktfühler und der Masse fließenden Strom aufgeladen. Die an den Kondensatoren anliegende Spannung liegt an den Elektroden einer steuerbaren Gasentladungsröhre an, so daß für jeden Blitz eine erheblich höhere Energie zur Verfügung steht und eine genügend große Intensität der Blitze erreichbar ist. Diese sind daher auch bei hellem Sonnenlicht erkennbar. Ausgelöst werden diese Blitze durch einen· Relaxationsoszillator, aus einem Kondensator und einem bei Erreichen einer bestimmten Spannung durchschaltenden

030022/OU8

Schaltelement. Der Kondensator wird durch die Primärwicklung eines Transformators entladen. Dies induziert eine hohe Spannung in der Sekundärwicklung des mit der Steuerelektrode der steuerbaren Gasentladungsrohre verbundenen Transformators. Die durch das Entladen des Kondensators des Relaxationsoszillators im Transformator induzierte Spannung bewirkt ein Entladen der Kondensatoren in der Gasentladungsröhre, so daß das Spannungsprüfgerät durch Lichtblitze einen unter Spannung stehenden Leiter anzeigt.

Zwar ist der bekannte Spannungsprüfer im Hinblick auf die Erkennbarkeit des Signals erheblich besser als die eingangs erwähnten älteren Systeme mit heller Glimmlampe. Es ist jedoch insbesondere nachteilig, daß die Dauer des Aufladens der Kondensatoren und somit der Zeitintervall zwischen den Lichtblitzen umgekehrt proportional der am Kontaktfühler angelegten Spannung ist. Je geringer die angelegte Spannung ist, um so langer wird der Zeitintervall zwischen den Lichtsignalen. Besonders nachteilig ist dabei im Hinblick auf das damit verbundene Sicherheitsrisiko, daß dieses Gerät keine genaue Schwelle aufweist, an der es zu arbeiten beginnt. Dieses bekannte Gerät ist daher nur für sehr hohe Spannungen geeignet.

Im Hinblick auf die mit den bekannten Geräten gewonnenen Erfahrungen lassen sich allgemeine Anforderungen für einen Spannungsprüfer aufstellen, der hohe Leistung bei größtmöglicher Sicherheit bietet.

Damit der Spannungsprüfer bei einer vorgegebenen Spannungsschwelle anspricht, muß er mit einer eigenen Spannungsquelle versehen sein; gleichwohl soll das Gerät ein möglichst kleines Volumen und ein sehr geringes Gewicht aufweisen. Das bei Erreichen der Spannungsschwelle am Kontaktfühler erzeugte Signal

030022/OU8

/ρ -

(ο

soll möglichst gleichmäßig und unter allen Umweltbedingungen gut erkennbar sein, während unterhalb dieser Schwelle kein Signal erzeugt -wrden soll. Der Energieverbrauch bei Nichtbenutzung soll so gering wie möglich sein, damit das Gerät möglichst lange benutzbar ist, ohne daß ein Ausschalten an die Spannungsquelle erforderlich ist. Die Spannungsquelle soll möglichst wenig wiegen und dennoch eine lange Lebensdauer besitzen. Das Spannung anzeigende Lichtsignal soll zudem eine möglichst hohe Intensität aufweisen, dabei jedoch von der Spannungsquelle nur eine geringe Energie aufnehmen. Die einzelnen Elemente des Gerätes sollen einfach, verschleißfest und preisgünstig sein. Außerdem sollte die Möglichkeit bestehen, zusätzlich zum Lichtsignal auch ein akustisches Signal zu benutzen, so daß auch Personen, die sich in der Nähe befinden, ohne daß sie das Lichtsignal beobachten können, Kenntnis von einer Spannung erlangen.

Ausgehend von diesen Forderungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einpoligen Spannungsprüfer der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der den vorerwähnten Forderungen gerecht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen aus einem Transformator und mindestens einem im Primärwicklungskreis angeordneten, den Stromfluß von einer Spannungsquelle durch den Primärkreis steuernden, mit dem Kontaktfühler verbundenen Schaltelement mit Rückkopplung vom Sekundärkreis bestehenden, die Kondensatoren für die Gasentladungsröhre und den Relaxationsoszillator über den Sekundärwicklungskreis aufladenden Schwingkreis.

Bei dem erfindungsgemäßen Spannungsprüfer wird die mehrere hundert Volt betragende Gleichspannung für die Gasentladungsröhre durch einen Spannungswandler erzeugt, der die benötigte

030022/0U8

Energie von einer eingebauten Spannungsquelle erhält. Da die für das Aufladen der Kondensatoren zur Verfügung stehende Energie von der anliegenden Spannung unabhängig ist, werden die Kondensatoren stets innerhalb des gleichen Zeitintervalls aufgeladen, so daß die G-asentladungsröhre eine gleichmäßige Folge von Lichtblitzen sendet, so lange die zu prüfende Spannung am Kontaktfühler anliegt und einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.

Dadurch, daß das Schaltelement mit dem Kontaktfühler verbunden ist, kann der Schwingkreis nur dann in Eigenschwingungen über die Rückkopplung geraten, wenn zunächst an diesem Schaltelement eine von außen kommende Spannung anliegt. Danach jedoch schwingt der Schwingkreis mit seiner Eigenfrequenz weiter und sendet die schon erwähnten Lichtblitze aus. Beendet wird das Schwingen des Schwingkreises durch den Relaxationsoszillator, der einerseits die Steuerelektrode der Gasentladungsröhre ansteuert, so daß sich der dazu gehörende Kondensator unter Erzeugung eines Lichtblitzes entlädt, und der andererseits das Schaltelement so ansteuert, daß die Schwingungen des Schwingkreises unterbrochen werden.

Liegt allerdings weiterhin eine von außen kommende, den vorgegebenen Schwellenwert überschreitende Spannung an diesem Schaltelement an, so gerät der Schwingkreis erneut in Schwingungen und entstehen die entsprechenden Lichtsignale der Gasentladungsröhre. Vorteilhafterweise besteht der Relaxationsoszillator aus einem zwischen einem Anschluß der Primärwicklung und über eine Diode mit einem Anschluß der Sekundärwicklung angeordneten Kondensator und einem zwischen dem anderen Anschluß der Primärwicklung und der Verbindung des Kondensators der Diode angeordneten Gasentladungsröhre. Auf diese Weise wird die zum Zünden

030022/0U8

der Gasentladungsröhre des Relaxationsoszillators benötigte hohe Spannung beim Entladen des Kondensators des Relaxationsoszillators durch die Primärwicklung des Transformators in der Sekundärwicklung auf die erforderliche Höhe herauftransformiert.

Der erfindungsgemäße Spannungsprüfer mit Lichtanzeige läßt sich auf einfache Weise für eine akustische Signalabgabe dadurch ausrüsten, daß der Relaxationsoszillator und ein Schaltelement für einen mit der Batterie verbundenen Summer miteinander verbunden sind. Vorteilhafterweise besteht hierbei das Schaltelement aus einem Thyristor, dessen Steuerelektrode mit dem mit der Gasentladungsröhre des Relaxationsoszillators verbundenen Anschluß der Primärwicklung verbunden ist, wobei eine Widerstand-Kondensator-Reihenschaltung parallel zum Summer angeordnet ist. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß sich der Summer entsprechend der Zeitkonstante der Widerstand-Kondensator-Reihenschaltung wieder abgeschaltet und somit nur eine geringe Energie aus der Spannungsquelle entnimmt.

Um den Schaltkreis vor Überspannungen zu schützen und gleichzeitig die Spannungsschwelle festzulegen, von der ab der Spannungsprüfer anzeigt, ist zwischen dem Anschluß des Kontaktfühlers am Schwingkreis und der Masse ein aus einem Kondensator und einem dazu parallel geschalteten spannungsbegrenzenden Element bestehender Schwingkreis angeordnet. Das spannungsbegrenzende Element kann hierbei aus einer Funkenstrecke oder einer Glimmlampe bestehen. Der Schwingkreis beginnt zu schwingen, sobald die Ansprechspannungsschwelle überschritten ist.

Da der erfindungsgemäße Spannungsprüfer nur aus wenigen Teilen besteht, kann er in einem sehr kleinen Gehäuse am Ende eines Isolierstabes angeordnet sein, ohne zu viel zu wiegen.

030022/0148

In der Zeichnung ist der Schaltplan eines erfindungsgemäßen Spannungsprüfers dargestellt. Der Spannungsprüfer besteht im wesentlichen aus einem Kontaktfühler 1, der sich mit einem spannungsführenden Leiter verbinden läßt. Die nachfolgende Beschreibung geht davon aus, daß die an dem Kontaktfühler 1 anliegende Spannung wenigstens gleich der Spannungsschwelle ist, die der Empfindlichkeit des Gerätes entspricht.

Der erfindungsgemäße Spannungsprüfer weist ferner eine Masse 2 auf, die aus einem oder mehreren leitenden Bauteilen besteht, die mit der Erde kapazitiv zusammenwirken. Diese Masse kann zum Beispiel aus einer den Schaltkreis umgebenden Abschirmung bestehen, die vom Schaltkreis störende Fremdeinflüsse fernhalten soll. Andernfalls besteht die Masse aus den vom Kontaktfühler und einer Funkenstrecke oder vorzugsweise einer Entladungsröhre 3 getrennten leitenden Teilen des Schaltkreises. Die Entladungsröhre 3 ist parallel zu einem Kondensator 3/1 geschaltet und besitzt eine geringe Durchschlagspannung. Der zwischen dem Kontaktfühler 1 und der Masse 2 fließende Strom bewirkt im aus der Entladungsröhre bzw. Glimmlampe 3 und den Kondensator 3/1 bestehenden Schwingkreis Schwingungen von hoher Frequenz jedoch sehr geringer Amplitude, die auf den Eingang des nachfolgend beschriebenen Schaltkreises geschaltet sind. Da eine Glimmlampe ein Spannungsbegrenzer ist, dient die Glimmlampe 3 gleichzeitig dazu, den Schaltkreis vor Überspannungen zu schützen.

Der Spannungsprüfer bezieht seine Energie aus einer Spannungsquelle 4, vorzugsweise einer Batterie mit einer Spannung von einigen Volt. Die Spannungsquelle 4 versorgt einen Schwingkreis 5mit Energie. Dieser Schwingkreis 5 weist zwei in Kaskade hintereinandergesehaltete Transistoren 5/1 und 5/2 auf, die mit

030022/OU8

einer Primärwicklung 5/3 eines Transformators verbunden sind. Eine Sekundärwicklung 5/4 des Transformators ist über eine Diode 5/6 mit einem Kondensator 5/5 verbunden. Die Basis des Transistors 5/1 ist mit dem Kontaktfühler 1 über einen Widerstand 5/7 verbunden. Weiterhin ist ein Ausgang der Sekundärwicklung 5/4 ebenfalls mit der Basis des Transistors 5/1 über einen Widerstand 5/8 verbunden. Diese Verbindung stellt die für den Schwingkreis 5 erforderliche Rückkopplung dar, um die Schwingungen aufrechtzuerhalten.

Im Ruhezustand ist die Basis des Transistors 5/1 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 4 über die Sekundärwicklung 5/4 des Transformators und mit dem Widerstand 5/8 verbunden. Der Transistor 5/1 leitet daher nicht und somit auch der Transistor 5/2 nicht, so daß der Schwingkreis 5 nicht spontan in Schwingungen geraten kann. Sobald jedoch eine Schwingung vom Schwingkreis 3, 3/1' über den Widerstand 5/7 auf die Basis des Transistors 5/1 gelangt, wird diese Schwingung durch die Transistoren 5/1, 5/2 verstärkt und erzeugt eine über die Rückkopplung von der Sekundärwicklung 5/4 über den Widerstand 5/8 aufrechterhaltene Schwingung. Durch die Sekundärwicklung 5/4 fließt dabei ein Strom, der über eine Diode 5/6 den Kondensator 5/5 auflädt. Der Transformator ist so ausgelegt, daß an den Anschlüssen des Kondensators 5/5 eine Spannung von einigen hundert Volt entsteht, wie sie für eine steuerbare Gasentladungsröhre 6, deren Elektroden 6/1, 6/2 mit den Anschlüssen des Kondensators 5/5 verbunden sind, erforderlich ist. Die Gasentladungsröhre 6 weist eine mit der Sekundärwicklung 5/4 verbundene Steuerelektrode 6/3 auf.

Weiterhin enthält der Schaltkreis des Spannungsfühlers einen Relaxationsoszillator 7 mit einem Kondensator 7/1, der parallel

030022/0H8

4 Λ

zum Kondensator 5/5 über die Spannungsquelle 4 und einen Widerstand 7/2 verbunden ist, so daß die Kondensatoren 5/5 und 7/1 gleichzeitig aufgeladen werden. Der Kondensator 7/1 ist ferner in Serie mit der Primärwicklung 5/3 über einen Widerstand 7/3 und eine Glimmentladungsröhre 7/4, deren Zündspannung 200 bis 300 Volt beträgt, geschaltet. Die Größe des Kondensators 7/1 und des Widerstandes 7/2 sind so gewählt, daß der Kondensator 5/5 die für die Gasentladungsröhre 6 erforderliche Spannung erreicht, wenn die am Kondensator 7/1 anliegende Spannung die Zündspannung der Glimmentladungsröhre 7/4 erreicht hat. Diese wird leitend und der Kondensator 7/1 entlädt sich in die Primärwicklung 5/3 über den Widerstand 7/3. Der Entladestrom bewirkt in der Sekundärwicklung 5/4 einen Hochspannungsimpuls in der Größenordnung von 1000 Volt, der zur Steuerelektrode 7/3 der Gasentladungsröhre 6 gelangt und dessen Gasfüllung ionisiert, so daß sich der Kondensator 5/5 über die Elektroden 6/1, 6/2 entlädt und einen Lichtblitz erzeugt. Das Entladen des Kondensators 5/5 bewirkt dabei ein Blockieren der Schwingungen des Schwingkreises 5. Solange eine Spannung vom Kontaktfühler 1 an der Basis des Transistors 5/1 anliegt, können die Schwingungen jedoch sofort wieder beginnen.

Ein zusätzliches akustisches Warngerät kann beispielsweise aus einem elektromagnetischen, über einen lyristor 8/1 mit der Sp annungs quelle 4 verbundenen Summer 8 bestehen. Die Steuerelektrode 8/2 des Thyristors 8/1 ist mit einem Ausgang der Primärwicklung 5/3 über einen Schutzwiderstand 8/3 und einen Kondensator 8/4 verbunden. Die Steuerelektrode 8/2 ist ferner mit dem negativen Pol der Spannungsquelle 4 über einen Widerstand 8/5 und eine parallel geschaltete Entkopplungsdiode 8/6 verbunden. Parallel zum Summer 8 sind

030022/0U8

ein Widerstand 8/7 und ein Kondensator 8/8 in Serie geschaltet, die eine vorgegebene Zeitkonstante festlegen, die kleiner ist als diejenige des Relaxationsoszillators aus dem Kondensator 7/1, den Widerständen 7/2, 7/3 und der Glimmentladungsröhre 7/4«

Wenn sich der Kondensator 7/1 des Relaxationsoszillators über die Primärwicklung 5/3 entlädt, gelangt ein Impuls über den Kondensator 8/4 und den Widerstand 8/3 bis zur Steuerelektrode 8/2. Der Thyristor 8/1 wird leitend,, so daß ein Strom durch den Summer 8 zu fließen beginnt, dessen elektromagnetischer Kontakt sich mit einer Frequenz von 1000 bis 2000 Herz schließt und öffnet. Ferner beginnt ein Strom durch den Widerstand 8/7 und den Kondensator 8/8 zu fließen. Der Summer 8 beginnt somit zum gleichen Zeitpunkt zu summen, zu dem die Gasentladungsröhre 6 einen Lichtblitz aussendet. Dieser Summton hält entsprechend der Zeitkonstante des Kondensators 8/8 mit dem Widerstand 8/7 an. Am Ende dieses Zeitraums ist der Kondensator 8/8 geladen, und über den Widerstand 8/7 fließt kein Strom mehr, der den Thyristor 8/1 während der Öffnungszeit des elektromagnetischen Schalters des Summers 8 leitend halten könnte. Der Strom wird daher im Thyristor 8/1 unterbrochen, der Unterbrecher des Summers 8 schließt sich, und der Kondensator 8/8 entlädt sich über den Widerstand 8/7. Der Schaltkreis für das akustische Signal ist dann wieder bereit, um erneut einen Summton auszusenden, wenn die Gasentladungsröhre 6 aufleuchtet.

Ö30022/0148

Claims (5)

IPA Internationale Patent- und Lizenzanstalt Vaduz/Lichtenstein, Aeulestraße 38 Patentansprüche;

1./Einpoliger Spannungsprüfer für hohe Wechselspannungen ^ mit einem Kontaktfühler, einer mit der Erde kapazitiv zusammenwirkenden Masse, einer mit mindestens einem aufladbaren Kondensator verbundenen Gasentladungslampe und einer über einen Transformator von einem Relaxationsoszillator bei Anliegen einer Spannung am Kontaktfühler ansteuerbaren Steuerelektrode, gekennzeichnet d-u- r c h einen aus einem Transformator (5/3, 5/4) und mindestens einen im Primärkreis angeordneten, den Stromfluß von einer Spannungsquelle (4) durch den Primärkreis steuernden, mit dem Kontaktfühler (1) verbundenen Schaltelement (5/1, 5/2) mit Rückkopplung vom Sekundärkreis bestehenden, die Kondensatoren (5/5, 7/1) der Gasentladungsröhre (6) und den Relaxationsoszillator (7) über den Sekundärwicklungskreis aufladenden Schwingkreis (5).

2. Spannungsprüfer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen aus einem zwischen einem Anschluß der Primärwicklung (5/3) und über eine Diode (5/6) mit einem Anschluß der Sekundärwicklung (5/4) angeordneten Kondensator (7/1) und einer zwischen dem anderen Anschluß der Primärwicklung (5/3) und der Verbindung des Kondensators (7/1) und der Diode (5/6) angeordneten Gasentladungsröhre (7/4) bestehenden Relaxationsoszillator (7).

03 0.022/0 H8

a"

3. Spannungsprüfer nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch eine Verbindung zwischen dem Relaxationsoszillator (7) und einem Schaltelement (8/1) für einen mit der Spannungsquelle (4) verbundenen Summer (8).

4. Spannungsprüfer nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch einen Tfyristor (8/1 ), dessen Steuerelektrode mit dem mit der Gasentladungsröhre (7/4) verbundenen Anschluß der Primärwicklung (5/3) verbunden ist und eine parallel zum Summer (8) angeordnete Widerstand-Kondensator-Reihenschaltung (8/7, 7/8).

5. Spannungsprüfer nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anschluß des Kontaktfühlers (1) am Schwingkreis (5) und der Masse (2) ein aus einem Kondensator (3/1) und einem dazu parallel geschalteten, spannungsbegrenzenden Element (3) bestehender Schwingkreis angeordnet ist.

6hk 030 Ü 22/0148