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Schaltungsanordnung zur Erniedrigung des
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Eingangswiderstandes einer zweipoligen hochohmigen Prüfeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erniedrigung des Eingangswiderstandes
einer zweipoligen, aus zwei Griffen bestehenden, durch ein Kabel verbundenen und
mit Kontaktspitzen versehenen Prüfeinrichtung mit hohem (R 6ookohm) Eingangswiderstand
zum gegebenenfalls gestaffelten Anzeigen einer elektrischen Spannung im Bereich
zwischen 6 und 1000 V sowie deren Polarität und/oder zur Durchgangsprüfung.
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Im Prospekt der Firma Weidmüller, der die Bezeichnung "U1T Sicherheit
x 7" trägt und der erstmalig auf der Hannover-Messe 1980 frei verteilt wurde, ist
eine Prüfeinrichtung zum Anzeigen einer elektrischen Spannung, deren Polarität und
zur Durchgangsprüfung beschrieben, die aus zwei durch ein Kabel verbundenen, mit
Kontaktspitzen versehenen und je einen den Kontaktspitzen nachgeschalteten hochohmigen
Vorwiderstand enthaltenen Griffen besteht und einer dieser Griffe optische Anzeigeelemente
von in Sparmungsbereiche gestaffelten Anzeigestufen, einen Oszillator,
der
einen gegebenenfalls vorhandenen akustischen Signalgeber ansteuern kann, und einen
Trennverstärker enthält, der den durch die beiden Vorwiderstände begrenzten Eingangs
strom verstärkt, eine in der Prüfeinrichtung vorhandene Batterie in den Stromkreis
einschaltet und damit die gestaffelte Anzeige der zu prüfenden Spannung und gegebenenfalls
die Polaritätsanzeige, sowie die Einschaltung des akustischen Signalgebers bewirkt.
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In der am'26. Juni 1981 eingereichten deutschen Patentanmeldung P
31 25 552.3 ist eine gegenüber der eben beschriebenen PrAfeinrichtung verbesserte
Prüfeinrichtung beschrieben, die ebenfalls hochohmig ist, also einen hohen Eingangswiderstand
aufweist, der beispielsweise gleich oder größer als 600 k0hm ist.
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Spannungsmeßgeräte, also auch die oben beschriebenen Prüfeinrichtungen,
müssen aus meßtechnischen Gründen, aber auch aus Gründen, die die Sicherheit betreffen,
einen relativ hohen Eingangswiderstand aufweisen.
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Der hohe Eingangswiderstand, der vorzugsweise etwa in der Grö3enordnung
von 1 MOhm liegt, z.B. >600 k0hm, ist erforderlich, um Spannungsquellen mit hochohmigem
Innenwiderstand nicht zu sehr zu verfälschen und um bei Uberspannungen aus Sicherheitsgründen
eine
genügend hohe Spannungsfestigkeit der hier in Rede stehenden Prufeinrichtungen zu
gewährleisten.
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Bei einem Eingangswiderstand beispielsweise von 600 k0hm beträgt der
Eingangs strom bei 110 220 380 660 (Veff) 0,17 0,33 0,58 1 (mAeff) Damit ist der
Eingangsstrom selbst bei kritischem Maßstab auch dann nicht gefährlich, wenn versehentlich
eine der Kontaktspitzen vom Benutzer berhrt wird, während die andere Kontaktspitze
an hoher Spannung liegt.
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Andererseits werden die hier in Rede stehenden Prüfeinrichtungen auch
zur Prüfung beispielsweise von Schaltschränken und zur Prüfung der Verkabelung von
größeren Anlage benutzt. Dies führt in der Praxis zu Scnwierigkeiten, weil diese
Prüfeinrichtungen wegen des hohen Eingangswiderstandes zu empfindlich sind und weil
kapazitiv oder induktiv einstreuende Fremdspannungen auch auf nicht angeschlossenen
oder nicht geschalteten Kabeln (leerlaufende Leitungen) von der Prüfeinrichtung
angezeigt werden.
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Für diese angegebenen Zwecke ist es aus den angegebenen Gründen erforderlich,
sogenannte niederohmige SpannungsprUfeinrichtun,en zu verwenden. Systemmäßig betrachtet
fuhrt dies jedoch zu der Forderung, daß Spannungsprüfeinrichtungen zwar hochohmig
sein müssen (meßtechnische Gründe, Sicherheitsgrunde), daß aber wahlweise ein sogenannter
Lastwiderstand zur Verringerung des Eingangswiderstandes wahlweise zuschaltbar ist.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit diesem Problem und hat sich
zur Aufgabe gestellt, eine Schaltungsanordnung zur Erniedrigung des Eingangswiderstandes
einer wie einleitend beschriebenen Prüfeinrichtung anzugeben, bei der es möglich
ist, die Ohmsche Last zeitlich zu begrenzen, und zwar so, daß sie ohne Zutun des
Benutzers bei tberschreitung einer gewissen Energiemenge abgeschaltet wird, wobei
jedoch die Zeit so bemessen ist, daß sie dem Benutzer die Möglichkeit gibt, den
Belastungstest und seine Auswirkungen auf das Prüfergebnis auch noch erkennen zu
können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungsanordnung der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltung der Prüfeinrichtung
und den den hohen Eingangswiderstand ergebenden Widerständen wenigstens ein PTC-Widerstand
mit einem Nennwiderstand RN in Bereich zwischen 200 Ohm und 5 k0hm wahlweise einschaltbar
parallel geschaltet ist, der eine
Zeitkonstante der Eigenerwärmung
(Betriebsabschaltzeit taB) von wenigstens 1 Sekunde gewährleistet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale
der Unteransprüche 2, 3 und 4 gekennzeichnet.
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Durch die Erfindung wird das Problem gelöst, daß Spannungsprufeinrichtungenmit
hohem Eingangswiderstand wahlweise, beispielsweise durch einen Tastschalter, ein
Widerstand etwa im Bereich von 2 bis 10 k0hm parallel eingeschaltet werden kann.
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Aufgrund einer Leistungsbetrachtung führt das Problem zu einem gewissen
Widerspruch, denn ist z.B. die höchste auf der Spannungsprüfeinrichtung angegebene
Spannung 500 V, so würde eine Zuschaltung eines Widerstandes von 4 k0hm in der Spannungsprüfeinrichtung
eine Leistung von 63 W freisetzen. Die dadurch bedingte Erwärmung der Prüfeinrichtung,
d h. des Griffes, in der die Schaltung enthalten ist, wäre unvermeidlich, so daß
dieser Weg keine Lösung der Aufgabe darstellt.
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Man könnte diese hohe Belastung beispielsweise durch Blindwiderstände
realisieren, indem man Spulen oder Kondensatoren einschaltet. Gemäß den VDE-Vorschriftenist
aber die Verwendung von solchen Blindwiderständen aus Sicherheitsgründen nicht gestattet.
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Die Einführung von reinen ohmschen Widerständen hätte den aufgezeigten
Widerspruch nicht gelöst.
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Durch die hier vorgeschlagene Verwendung eines PTC-Widerstandes, der
durch die Eigenerwärmung nach einer bestimmten Zeit selbstregelnd seinen Widerstand
zu höheren Werten hin verändert, um somit den Strom zurückzuregeln und damit die
Leistung zu begrenzen, war es möglich, die der Erfindung zugrundeliegende A.ufgabe
zu lösen und die sich ergebenden Widersprüche in der Problemstellung zu beseitigen.
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Hinsichtlich der Definition von PTC-Widerständen wird auf die deutsche
Norm DIN 44 080, Dezember 1976, verwiesen. In dieser Vorschrift ist im einzelnen
definiert, was unter einem PTC-Widerstand (Kaltleiter) zu verstehen ist und wie
die einzelnen Angaben der Eigenschaften, beispielsweise Nennwiderstandswert RN und
Betriebsabschaltzeit taB definiert sind.
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Um die Zeitkonstante des Erwärmungsvorganges beeinflussen zu können,
ist es vorteilhaft, dem PTC-Widerstand einen normalen ohmschen Widerstand, d.h.
ein Widerstand mit praktisch festem WiderstEndswert, in Reihe zu schalten. Auf diese
Weise wird erreicht, daß in dem Moment des Einschaltens die Leistung an dem PTC-Widerstand
und an dem zugehörigen Vorwiderstand so aufgeteilt wird, daß es einer gewissen Zeit
bedarf, bis der PTC-Widerstand soweit erwärmt ist, daß er hochohmig wird und damit
den Strom zurückregelt.
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Die Zeitkonstante des Erwärmungsvorganges kann durch das Volumen des
PTC-Widerstandes beeinflußt werden. Ein solcher PTC-Widerstand muß verhältnismäßig
groß sein und würde bei einem Durchmesser von 10 mm eine Dicke von 20 mm haben.
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Die im Handel befindlichen PTC-Widerstände, die durch ihr kleines
Volumen (z.B. Durchmesser 5 mm, Dicke imin) sind wesentlich preisgünstiger und hinsichtlich
der Konstanz ihrer Werte genauer,.
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jedoch würden solche PTC-Widerstände zu schnell (in wenigen Millisekunden)
hochohmig werden, so daß dem Benutzer keine Zeit verbleibt, ein eindeutiges Ergebnis
des Testes dahingehend abzulesen, ob es sich um eine Spannungsquelle mit hohem oder
mit niedrigem Innenwiderstand handelt. Durch den gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung in Reihe mit dem PTC-Widerstand geschalteten Widerstand mit praktisch
festem Widerstandswert (Vorwiderstand) gelingt es aber, die Zeitkonstante des Erwärmungsvorganges
so zu beeinflussen, daß für den Benutzer mehrere Sekunden verbleiben, um das Ergebnis
des Testes ablesen zu können, Eine weitere Verminderung des Lastwiderstandes, der
aus dem PTC-Widerstand allein oder einem PTC-Widerstand mit in Reihe geschaltetem
Vorwiderstand resultiert, läßt sich durch Parallelschaltung solcher Systeme erreichen,
die selbst aus einer Reihenschaltung eines PTC-Widerstandes mit einem normalen Widerstand
bestehen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist bei einem
Eingangswiderstand der Prüfeinrichtung von 600 k0hm wenigstens ein PTC-Widerstand
wahlweise zuschaltbar, der einen Nennwiderstandswert RN von 1,5 k0hm ergibt. In
diesem Fall ist es vorteilhaft, daß der wenigstens eine mit dem PTC-Widerstand in
Reihe geschaltete Festwiderstand einen Widerstandswert von 12 k0hm ergibt.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und Fig. 2 ein Diagramm
des Belastungsstromes in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung.
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Der gestrichelt umrandete und mit dem Bezugszeichen 1 versehene Teil
der Fig. 1 stellt einen der beiden Griffe der zweipoligen Prüfeinrichtung dar. Mit
2 ist der andere Griff bezeichnet, in welchem der Eingangsteilwiderstand RO und
die Gesamtschaltung 18 der Prüfeinrichtung enthalten sind. Mit 4 ist die Prufspitze
des Griffes 1 und mit 5 ist die Prüfspitze des Griffes 2 bezeichnet.
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Die beiden Griffe 1 und 2 sind miteinander durch das Kabel 3, das
mit einer Abschirmung 6 versehen ist, verbunden.
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Ohne zugeschaltetem Lastwiderstandsteil sind der hochohmige Vorwiderstand
RO, die Gesantschaltung 18 der o,-üfeirichtung,
in der sich sämtliche
Schaltelemente zur gegebenenfalls gestaffelten Anzeige der Spannung befinden, und
der zweite hochohmige Vorwiderstand R30, der den anderen Teilwiderstand des hohen
Eingangswiderstandes der Prüfeinrichtung darstellt, in Reihe geschaltet.
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Bei Anliegen einer zu prüfenden Spannung an den Kontaktspitzen4 und
5 und Betätigen des Tastschalters 27 wird zu der eben beschriebenen Reihenschaltung
wenigstens ein PTC-Widerstand 19 parallel geschaltet. In Reihe mit diesem PTC-Widerstand
19 ist ein Festwiderstand 23 geschaltet, durch den die Zeitkonstante des Erwärmungsvorganges
beeinflußt wird.
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Zur weiteren Verminderung des Lastwiderstandes sind - je nach den
Erfordernissen - weitere PTC-Widerstände 20, 21 und 22 und dazu in Reihe weitere
Festwiderstände 24, 25 und 26 parallel geschaltet.
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Im Diagramm nach Fig. 2 ist der Belastungstrom in Abhängigkeit von
der anliegenden Spannung und der Zeit dargestellt.
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Kurve X gilt für eine anliegende Spannung von 380 V und zeigt, daß
die Zeit, in der der PTC-Widerstand noch wirksam wird, in dieser beispielhaften
Ausführung etwa 4 Sekunden beträgt. Hier
fließt ein Strom von 89
mA, d.h., daß bei Betätigung des Tastschalters 27 (Fig. 1) ein Widerstand von 4,2
k0hm für die Dauer von etwa 4 Sekunden eingeschaltet und damit wirksam ist. Der
Widerstand von 4,2 k0hm ergibt sich z.B. durch Parallelschaltung dreier Widerstandskombinationen,
Kurve Y'gilt für 220 V anliegende Spar-nung.und zeigt, daß bei gleichem eingeschalteten
Widerstand von 4,2 kOhm die Zeit der Wirksamkeit bereits 18 Sekunden dauert.
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Kurve Z gilt für 110 V anliegende Spannung. Bei dieser Spannung und
bei 4,2 kOhm beträgt die Zeit der Wirksamkeit schon mehr als 20 Sekunden.
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Jede Spannungsquelle hat einen Innenwiderstand RI, der zuweilen auch
Quellwiderstand RQ genannt wird. Prüft man in Schaltkreisen Spannungen, dann istzurBeurteilung
des Meßergebnisses die Kenntnis des Innenwiderstandes der Spannungsquelle von entscheidender
Bedeutung. Andererseits hat jedes Meßinstrument einen bestimmten Eingangswiderstand
R3. Die Summe von Innenwiderstand RI und Eingangswiderstand RE bestimmt den Gesamtstron
durch die sich ergebende Meßanordnung, d.h. das Verhältnis von Innenwiderstand zu
Eingangswiderstand bestimmt eindeutig die zu messende Spannung und kann sie verfälschen.
Demnach sollte grundsätzlich der Eingangswiderstand RE eines Voltmeters oder eines
Spannungsprüfgerätes (Prüfeinrichtung) so hoch wie technisch verwirklichbar sein.
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Nur bei sehr großem Eingangswiderstand R des Prüfgerätes und kleinen
Innenwiderstand RI der Spannungsquelle entspricht die angezeigte Spannung auch der
Spannung der Spannungsquelle.
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Sind Eingangswiderstand und Innenwiderstand einander gleich, so wird
die zu prüfende Spannung UO halbiert und es wird nur diese halbe Spannung angezeigt.
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Eine indirekte Aussage über den Innenwiderstand einer Spannungsquelle
erhält man, wenn man den Eingangswiderstand des Prüfgerätes kleiner als den Innernderstand
der Spannungsquelle macht. Dies ist von Vorteil, wenn man induktiv und kapazitiv
eingekoppelte Spannungen prüfen will. Man erhält auf diese Weise eine Aussage, ob
es sich um eine "echte" Spannungsquelle mit kleinem Innenwiderstand (Konstantspannungsquelle)
handelt oder ob die Spannungsquelle einen vergleichsweise hohen Innenwiderstand
hat.
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Dies wird bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzt, denn wenn die
Spannungsquelle einen hohen Innenwiderstand hat, es sich also um induktiv und kapazitiv
eingekoppelte Spannungen handelt, so bricht beim Zuschalten des Lastwiderstandes
die Spannung zusammen.
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Bei einer Prüfeinrichtung, wie sie beispielsweise in der eingangs
angegebenen deutschen Patentanmeldung beschrieben ist, läuft der Test wie folgt
ab.
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Bei Prüfung der Netzspannung (220 V Wechselspannung) leuchten alle
Leuchtdioden bis 220 V auf. Wird durch Betätigen des Tastschalters 27 ein Lastwiderstand
parallel geschaltet, wodurch die Prüfeinrichtung niederohmig wird, so bleibt diese
Anzeige erhalten, wenn es sich tatsächlich um die Netzspannung handelt.
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Wenn somit bei der ersten Prüfung beispielsweise 220 V angezeigt werden
und wird bei Betätigen des Tastschalters durch Zuschalten der parallel geschalteten
Widerstände die angezeigte Spannung entsprechend der Höhe dieser Widerstände auf
beispielsweise 24 V verringert, so folgt daraus, daß es sich um eine Spannungsquelle
mit hohem Innenwiderstand und damit nicht um die Netzsnannung handelt.
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Durch die vorliegende Erfindung kann beispielsweise geprüft werden,
ob das andere Ende einer längeren Leitung an Spannung angeschlossen ist oder nicht.
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4 Patentansprüche 2 Figuren