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Elektrogerät mit Schutzschalter
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrogerät, wie z.B. einen
tragbaren Haartrockner, einen Rasierapparat oder dergleichen mit einem Schutzschalter,
der die Bedieungsperson gegen einen elektrischen Schlag schützen kann.
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Eine besondere Gefahr bei der Benutzung von Elektrogeräten tritt dann
auf, wenn ein solches Gerät mit Wasser in Berührung kommt. So kann es z.B. in einem
Bad zu einem tödlichen elektrischen Unfall kommen, wenn etwa ein Haartrockner, auch
wenn er sich nicht gerade in Betrieb befindet, in eine Badewanne fällt.
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Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Schaltungen
bekannt, die einen elektrischen Schlag verhindern oder zumindest zeitlich begrenzen
können.
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Solche Vorrichtungen enthalten meistens einen Differenzstromtransformator,
der darüber wacht, daß die Stromunsymmetrie in einer Starkstromleitung einen bestimmten
Grenzwert z.B. 5 mA nicht übersteigt.
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Diese Vorrichtungen haben den grundsätzlichen Nachteil, erst anzusprechen,
wenn der elektrische Unfall bereits erfolgt ist. Zudem sprechen sie nur an, wenn
der el.ektrisierende Strom über eine Erdverbindung fließt. Elektrische Unfälle,
bei denen die Stromsymmetrie der elektrischen Leitungen erhalten bleibt, z.B.dann,
wenn die elektrisiete Person von Erde isoliert ist, werden von Geräten dieser Art
nicht registriert. Ein weiterer grundsätzlicher Nachteil der Differenzstromtransformatoren
ist ihre Ansprechverzögerung, die typischerweise bei 2 Netzperioden liegt.
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Eine andere Schutzschaltung ist aus der D.T. 2 71 05 57 Al bekannt.
Sie beruht auf einer Messung der elektrischen Impedanz des menschlichen Körpers
gegen Masse bzw. gegen die Phase des Netzes. Die Anwendung dieser Schaltung setzt
voraus, daß das zu schützende Gerät eine elektrisch leitende Kontaktfläche, z.B.
am Handgriff aufweist. Diese Kontaktfläche ist über elektronisch"Bauelemente mit
Netzspannung verbunden, sodaß beim Versagen di.eser Bauelemente eine zusäzliche
Gefährdung
nicht ausgeschlossen ist.
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Ferner setzt diese Schaltung voraus, daß das Gerät in bestimmter,
also nicht vertauschbarer Weise mit dem Netz verbunden wird. Da die meisten Steckverbindungen,
wie etwa der Europastecker, keine eindeutige Zuordnung von Phase und Nulleiter vorsehen,
ergibt sich die dem Benutzer unzumutbare Forderung, die richtige Netzverbindung
durch Probs erden herzustellen.
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Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß die Schutzfunktion
auch bei einer zu niedrigen Impedanz gegen Masse anspricht, also bei einem Betriebszustand,
der bei einem Gerät der Schutzklasse II keinerlei Gefahr für den Benutzer bedeutet.
Darüberhinaus versagt diese Schutzschaltung voJlständi wenn ein damit ausgestattetes
Gerät bei einer falsch gepolten Verbindung mit dem Netz, wie eingangs als typische
Unfailursache genannt, mit Wasser in Berührung kommt.
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In diesem Fall wäre das Gerät zwar nicht funktionsbereit, ein elektrischer
Schlag würde dennoch auftreten, da in diesem Falle der Nulleiter abgeschaltet würde.
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Die erfinderische Aufgabe besteht also darin, ein Gerät der eingangs
erwähnten Art anzugeben, das einen Schutzschalter enthält, der beim Eindringen eines
flüssigen Leiters z.B.
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Wasser in das Gerät, unabhängig davon, ob dieses Wasser mit Masse
in Verbindung steht oder nicht, und unabhängig von der Polung am Netz eine Schutzfunktion
auslöst, die den Benutzer vor einem elektrischen Schlag schützt. Die Schutzfunktion
muß ansprechen, bevor ein e3ektrjscherSchl.ag eintreten kann.
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Die Schutzfunktion muß irreversibel sein, sodaß ein durchnäßtes Gerät
nicht sogleich wieder in Betrieb genommen werden kann. Die Schutzfunktion muß unabhängig
davon sein, ob das Gerät gerade in Betrieb ist oder nicht. Die Schutzschaltung muß
so ausgelegt sein, daß sie bei Eigenversagen beliebiger Art z.B. durch Herstellungsfehler
bedingt, keine zusätzliche Gefahr hervorrufen kann. Der technische Aufwand für die
Schutzschaltung sollte so gering sein, daß einer allgemeinen Einführung von Elektrogeräten
mit dieser Schutzschaltung nicht der zu hohe Preis entgegensteht.
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Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gerät
eine elektronische Sensoreinrichtung für eingedrungenes Wasser enthält, die den
Schutzschalter auslösen kann.
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Die Sensoreinrichtung kann auf einer alle spannungsführenden offenen
Teile des Elektrogerätes umhüllenden Fläche abgebracht sein, sodaß eine leitende
Verbindung zwi.schen den spannungsführenden Teilen und der Umgebung des Gerätes
durch eine zusammenhängende Wassermenge, z.B. einen Wasserfilm, nicht herstell.bar
ist, ohne daß zuvor die Sensoreinrichtung mit Wasser in Berührung kommt. Vorteilhafterweise
ist die Sensoreinrichtung an den Berandungen von Gehäuseöffnungen und Gehäusefugen
angebracht, durch die Wasser eindringen kann.
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Eine vorteilhafte Ausführung ist dadurch gegeben, daß in einem Elektrogerät
im Geräteinneren ein bei der Handhabung nicht berührbarer offener elektrische Doppelleiter
als Sensor für eingedrungenes Wasser angebracht ist, sowie ein hermetisch verschlossener
elektronischer Bauteil , der mindestens enthält: einen TRIAC mit einer Zündschaltung,
die zünden kann, wenn der Sensor eingedrungenes Wasser registriert; mindestens einen
selbstöffnenden mechanischen Schalter und einen Schmelzdraht, der den Schalter in
geschlossener Stellung festhalten kann und bei Zünden des TRIAC's durch den Netzstrom
schmelzbar ist.
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Bei Geräten mit geringer Nennleistung kann sich der Schmelzdraht in
einer der Netzleitungen, der elbstöffnende mechanische Schalter in der anderen befinden
und der TRIAC kann auf der Geräteseite über beide Netzleitungen geschaltet sein.
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Bei Geräten mit größerer Nennleistung kann sich je ein mechani.scher
Schalter i.n jeder Netzleitung befinden. Der Schmelzdraht in Serienschaltung mit
dem TRIAC kann über beide Netzleitungen geschaltet sein, von den Schaltern aus gesehen
wiederum auf-der Geräteseite. Eine besonders eigensichere Ausführung ergibt sich
dann, wenn alle elektronischen Bauteile auf der Geräteseite an das Netz geschaltet
sind, bezogen auf die Position der mechanischen Schalter oder des Schmelzdrahtes.
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Vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Schutzschaltung, be.i der
diese eine mechanische Einheit mit der Netzleitung eines Gerätes bildet.
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Der als Sensor für eingedrungenes Wasser dienende elektrische Doppelleiter
kann an der Innenseite des Gerätegehäuses in Form eines Aufdruckes mit leitfähigem
Material ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform kann der elektrische
Doppel leiter durch Spritzgleßen in einem 2-Phasenverfahren mit leitfähigem Material
an dem Gehäuse angebracht sein.
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Im folgenden soll die Erfindung beispielhaft an Hand von 6 Figuren
erläutert werden.
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Die Figur 1 stellt eine Schutzschaltung dar, die vollständig in einem
hermetisch dichten Gehäuse 20 untergebracht ist. Die untereinander vertauschbaren
Netzanschlüsse 1- 2 sind in das schützende Gehäuse mit einbezogen. An den Anschlüssen
5 und 6 befindet sich die Last des Elektrogerätes. An die Anschlüsse 7 und 8 sind
die elektrischen Doppel.-leiter geschaltet, die als Sensor für eingedrungenes Wasser
dienen. Die selbstöffnenden mechanischen Schalter 3 und 4 befinden sich am Netzeingang
der Schaltung, sodaß beim Öffnen dieser Schalter sowohl die Schutzschaltung als
auch das Elektrogerät vollkommen spannungsfrei. sind. Über den Strombegrenzungswiderstand
11 und eine Diode 12 wird ein Kondensator 13 auf eine Spannung aufgeladen, die ducrh
die Zenerdiode 14 auf einen Wert von z.B. 15 Volt begrenzt wird.
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Ein Feldeffekttransistor 17 ist über den Widerstand 19 so vorgespannt,
daß bei offenen Anschlüssen 7 und 8 der Transistor stromlos ist. Sobald sich der
Wi.derstRnd des elektrischen Doppel leiters durch Benetzung mit Wasser verringert
wird die Gatespannung des Transistors 17 so weit verschoben, daß ein Strom durch
den Transistor In die Zündelektrode eines TRIAC's 9 fließne kann.
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Durch einen Strombegrenzungswiderstand 18 wird die Zündimpulsdauer
so weit verlängert, daß auch bei einem zufälligen Zündbeginn in der Nähe des Nulidurchganges
der Netzspannung
ein sicheres Zünden des TRIAC's erfolgen kann.
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Über den TRIAC 9 und einen Schmelzdraht 10 ist die Netzleitung nun
kurzgeschlossen, sodaß der Strom sehr rasch soweit ansteigt, bis der Schmelzdraht
anschmilzt und so den Kurzschluß wieder unterbricht. Die durch den Schmelzdraht
geschlossen gehaltenen Schalter 3 und 4 können sich nun sehr rasch öffnen und schalten
das gesamte Gerät spannungsfrei. Nähere Erläuterungen zu dem Schmelzdraht 10 und
den Schaltern 3 und 4 folgen weiter unten.
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Um bei der Benetzung des elektrischen Doppel leiters einen elektrischen
Schlag zu vermeiden, sind die Anschlüsse 7 und 8 über Hochohm-Widerstände 15 und
16 herausgeführt. Diese Schutzschaltung hat den Vorteil, daß nur die Bauelemente
9, 11, 12, 15 und 16 für die hohe Netzspannung auszulegen sind.
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Ein geringer Nachteil besteht darin, daß der Kondensator 13 über den
Widerstand 11 zunächst auf eine genügend hohe Spannung aufgeladen werden muß. Das
kann im ungünstigsten Fall bedeuten, daß vom Einstecken des Netzsteckersbis zur
Funkti.onsfähi.gkei.t der Schutzschaltung eine Zeit von etwa 1,5 Netzhalbperioden
vergehen muß, d.h. etwa 15 mSek. Diese erstmalige Funktionsverzögerung dürfte jedoch
für die Praxis nur geringe Bedeutung haben.
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In der Figur 2 ist eine Schaltung angegeben, die diesen Nachteil nicht
besitzt. Sie ist, da sie keinerlei Zeitkonstanten enthält, sofort funktionsfähig.
Die Anschlüsse 1 und 2 gehen wiederum an das Netz, die Anschlüsse 5 und 6 an di.e
elektrische Last des Gerätes und die Anschlüsse 7 und 8 an den elektrischen Doppelleiter.
Diese schaltung ist zugleich vereinfacht gegenüber der in Figur 1, insofern asz
als der Schmelzdraht 10 gleich zeitig eine Schmelzsicherung für das gesamte Gerät
darstellt. Er befindet sich also in der einen eZektrischen Zul.eitung des Netzes.
Sobald dieser Schmelzdraht auslöst, wird der Schalter 4 freigegeben.
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Die Zündschaltung besteht aus 2 komplementären Darlingtontransistoren
21 und 22, die durch 2 Widerstände 27 und 28 im Normalzustand gesperrt sind.
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Sobald der Wi derstand zwi schen den Anschlüssen 7 und 8 gering wird,
fließt ein Steuerstrom in einen der BasisanschAüsse der Transi storn, je nachdem
i n welcher Phasenlage sich das Netz gerade befindet. Die beiden Dioden 24 und 25
verhindern ein Rückwärtsleiten der Transistoren. während die Dioden 23 und 26 einen
falsch gepolten Basisstrom verhindern. Ein Widerstand 29 begrenzt den Zündstrom
des TRIAC's 9, während die Widerstände 30 und 31 den Strom über den elektrischen
Doppelliter auf ungefährliche Werte begrenzen. Der TRIAC 9 ist als Kurzschluß über
die beiden Netzleitungen geschaltet.
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Sobald er gezündet ist, steigt der Strom solange an, bis der Schrnelzdraht
10 sich löst und den Schalter 4 zwangsläufig zur Öffnung freigibt. Nachteilig an
dieser Schaltung gegenüber der von Figur 1 ist, daß alle Bauelemente, insbesondere
die Transistoren 21 und 22, düe die hohe Netzspannung ausgelegt sein müssen.
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Die Figur 3 zeigt einen geeigneten selbstöffnenden Schalter, der durch
einen Schmelzdraht freigegeben werden kann. Dieser Schalter besteht aus einem Kunststoffsockel
32, in den eine starre Kontaktfeder 33 sowie eine bewegliche Kontaktfeder 34 und
ein Federbügel 35 eingegossen sind. Zusarnmen mit der Sprungfeder 36 bilden diese
Teile einen an sich bekannten sogenannten Sprungfederkontakt. Er schließt sich,
sobald der Federbügel niedergedrückt wird und öffnet sich, sobald der Federbügel
nach oben freigegeben ist. Ein selbsttätiges Öffnen setzt voraus, daß der Federbügel
35 so vorgespannt ist, daß er eine obere fluhelage einnimmt. Am vorderen Ende des
Federbügeis ist ein Kunststoffanker 37 aufgespritzt, über den ein Schmelzdraht 10
gelegt und an den beiden Pfosten 38 und 39 durch Drahtwlckeltechnik befestigt ist.
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Bei Anwendung dieses Schalters in einer Schaltung nach Figur 2 ist
die eine Netzleitung über die beiden Pfosten 38 und 39 zu fiihren und die andere
Netzleitung über die beiden Federn 33 und 34. Der Schmelzdraht 10 muß so dimensioniert
sein, daß er den Nennstrom des Gerätes ohne die Gefahr eines ungewollten Auslösens
führen kann.
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Diese Schaltvorrichtung hat den Vorteig, äußerst kostengünstig und
zuverlässig zu sein. Gegenüber an sich bekannten Schaltern mit elektromagnetischer
Auslösung besteht der Vorzug des äußerst trägheitsarmen Ansprechens. Die Gefahr
eines Verklemmens oder ungewollten Auslösens durch Stoß ist praktisch ausgeschlossen.
Die zu einer Stoßauslösung notwendigen Beschleunigungen liegen in einer Größenordnung
von 100g. Als Material für den Schmelzdraht ist besonders gut Phoshporbronze geeignet,
da sie eine hohe Zugfegtigkelt mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt verbindet.
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Ein Dimenslonierungsbeispiel möge die Leistungsfähigkeit des Schalters
belegen: Für ein gerät mit einem Nennstrom unter 0,lA z.B. einen Elektrorasierer,
könnte ein Draht von 0,04 mm Verwendung finden, der eine Zugfestigkeit von 120p
besitzt. Der auslösende Strom beträgt etwa 0,25A, sodaß selbst bei der ungünstigen
Annahme einer Zündung im NulZdurchgang der Netzspannung eine Schmelzzeit von nur
ca. 0,2 mSek. zu erwarten ist. Die Zugfestigkeit von 2x120p erlaubt es, den Federbügel
35 so auszulegen, daß er mit einer Kraft von 100p den Schalter zu öffnen versucht.
Die von der Bügel feder zu beschleunigende Masse beträgt etwa 0,3g, sodaß eine Öffnungsbeschleunigung
von ca. 330g auftritt. Die Zeit vom Auslösen der elektrischen Schaltung bis zum
vollständigen Öffnen des Schalters beträgt darin in etwa 1,3 mSek. Durch eine geeignete
Verlegung des elektrischen Doppel leiters als Sensor für Wasser kann erreicht werden,
daß die Schutzschaltung angesprochen hat, bevor noch das Wasser andere unter Spannung
stehende Teile des Elektrogerätes z.B. die Heizspirale eines Haartrockners erreicht
hat, Fällt ein Haartrockner z.B. in eine Badewanne, so kann seine Geschwindigkeit
wenige Meter pro Sek. nicht übersteigen d.h.
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die Eindrlnggeschwindigkeit des Wassers kann max. einige Millimeter
pro mSek. erreichen. Bei einer angegebenen Auslösegeschwindigkeit von 1,3 mSek.
für den Schutzschalter ist damit als Mindestabstand zwischen dem elektrischen Doppe3-leiter
und Spannung führenden Teilen des Gerätes von z.B.
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10 mm zu fordern.
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Mit anderen selbsttätig arbeitenden Schalteranordnungen z.B.
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dem an sich bekannten eiektromagnetisch ausgelösten Schalter sind
dermaßen kurze Auslösezeiten kaum zu erreichen, da das Verhältnis von beschleunigender
Kraft und Ku bewegender Masse bei. elektromagnetischen Systemen stets gßep i.st
al.s bei.
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diesem mit reinen Federkräften arbeitenden System.
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Die Figur 4 zeigt eine beispiel hafte Anordnung des elektrischen Drpelleiters
als Sensor für eingedrungenes Wasser.
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Die Figur bietet einen vereinfachten Blick von innern z.B.
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gegen die Luftaustrittsöffnung eines Haartrockners. Die beiden Gehäuseschalen
40 und 4J bilden miteinander eine Fuge sowie die Austrittsöffnung 42. In dieser
Öffnung kann ei.n BertAhrungsschut;zg,itter 43 eingefügt sein. Um die Öffnung herum
sowie an der Gehäusefuge entlang sind elektrisch leitende Streifen 44 und 45, sowie
46 und 47 angebracht. Die Streifen sind bei normaler Handhabung des Gerätes nicht
berührbar. Zudem sind sie so weit von den Gehäusekanten zurückgesetzt, daß sie die
vorgeschriebenen Luft- und Kriechwege einhalten. Durch die Öffnung oder den Gehäusespalt
eingedrungenes Wasser führt dazu, daß die Leitfähigkeit z.B. zwischen den Streifen
44 und 45 zunimmt. Bei einer zweckmäßigen Anordnung der Streifen kann sichergestellt
werden, daß ein elektrischer Kontakt von einem spannungsführenden Geräteinnenteil
nach außen durch Wasser nicht hergestellt werden kann, ohne die Streifen zu benetzen.
Als Herstellverfahren für solche leitfähigen Streifen kornmen Aufdrucken mit Leltlacken
oder Aufspritzen in einem 2-Phasen Spritzgußverfahren i.n Betracht.
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Zur Sicherung von Geräten mit großer elektrischer Nennleistung ist
es zweckmäßig, die Funktion des Schutzschalters und des auslösenden Elementes zu
trennen. Figur 5 zeigt eine Ausführung mit je einem Sprungfederkontakt für jede
der elektri -schen Leitungen. Auf einem Kunststoffsockel 48 befinden sich der erste
Schalter, bestehend aus den Teilen 33,34, 35 und 36 und der zweite Schalter, bestehend
aus den Teilen 49,50,51 und 52. An der Stirnseite der beiden Federbügel 35 und 52
und
diese verbindend ist eine 2Ankerplatte 53 aus isolierendem
Material aufgespritzt. Im Normalzustand wird die Ankerpiatte 53 durch einen Schmelzdrant
10, der um die Pfosten 38 und 39 gewickelt ist, in einer unteren Stellung gehalten,
so daß beide Schalter geschlossen sind. Der Schmelzdraht 10 kann nun, da er den
Gerätestrom nicht führt, unabhängig dirnensioniert werden und es sind Alterungserscheinungen
durch ständige termische Beanspruchung ausgeschlossen.
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Diese Schaltanordnung kann, wie leicht ersichtich, direkt in einer
Schutzschaltung nach Figur 1 eingesetzt werden. Die Schaltvorrichtungen nach den
Figuren 3 und 5 können besonders klein aufgebaut werden; man beachte, daß die Figuren
etwa in einem Maßstab 5:1 dargestellt sind. Wegen der Kleinheit dieser Teile und
der geringen Bauelementezahl in der benötigten Elektronik ist es möglich, die gesamte
Schutzeinrichtung als mechanische Einheit mit dem Netzkabel aufzubauen.
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Die Figur 6 zeigt eine beispielhafte Ausführung mit einem Netzkabel
55, einer Durchführungstülle 56, dem Schutzschalter mit hermetisch dichtem Gehäuse
58 sowie den beiden geräteseitigen Netzleitungen 5 und 6 und den beiden Anschlüssen
7 und 8 für den elektrischen Doppel leiter. Die' Anschlüsse 7 und 8 si.nd in diesem
Beispiel als Fortsätze einer die gesamte Elektronik tragenden Leiterplatte herausgeführt
und mit dem Gehäuse durch Verschraubung verbunden. Somit wird der Kontakt zu den
z.B. aufgedruckten leitenden Streifen 44 und 45 hergestellt.
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Nach einem Auslösen des Schutzschalters kann die Funktionsfähigkeit
des Gerätes wieder hergstellt werden, indem das Netzkabel mit Schutzschalter ausgetauscht
wird. Es wäre auch möglich, statt dessen ein normales Netzkabel ohne Schutzschalter
zu montieren. Dieser letzte Aspekt könnte für eine Serienfertigung von Bedeutung
sein, bei welcher sowohl Geräte mit als auch ohne diesen Schutzschalter gefertigt
werden sollen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß dieser Schutzschalter verei
nhei tl i cht und unabhängig von dem jeweils zu schützenden Elektrogerät gefertigt
werden kann.
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