DE3613630A1 - Schaltungsanordnung zum schutz vor rueckspannung am netzanschluss elektrischer geraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Prinzip einer solchen Schaltung ist z.B. aus der DE-OS 30 49 705, Abb. 1, und der zugehörigen Beschreibung bekannt: Eine Fühlerschaltung 4 liegt zwischen beiden Adern der Netzzuleitung. Sie steuert Unterbrechungsmittel 3 an, die den Eingangsstromkreis des Gerätes auftrennen und so das Anstehen einer gefährlichen Spannung an den Kontakten des Netzsteckers 2 verhindern, sobald an diesen nicht mehr die volle Netzwechselspannung ansteht. Abb. 5 der genannten DE-OS sieht eine doppelpolige Abschaltung vor.

Eine solche einfache Schaltungsanordnung reicht für einen sicheren Rückspannungsschutz dann nicht aus, wenn die auftretende Rückspannung die Größenordnung der Netzspannung aufweist. Dies ist z.B. bei Einrichtungen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung der Fall. Diese Einrichtungen, die z.B. elektronische Rechenanlagen mit Strom versorgen müssen, erzeugen bei Netzausfall dieselbe Betriebsspannung, die sonst das Netz aufweist, aus einer Ersatzstromquelle, z.B. einer Batterie mit nachgeschaltetem Wechselrichter. Eine wie beim Stand der Technik angeordnete Fühlerschaltung wird die Abtrennung der Einrichtung vom Netz deshalb nicht bemerken und keine Auftrennung des Eingangsstromkreises veranlassen. An den Kontakten des Netzsteckers wird dann weiterhin eine der Netzspannung entsprechende Spannung anstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtrennung der Netzzuleitungen auch bei Einrichtungen zu ermöglichen, die eine der Netzspannung entsprechende Spannung in die Netzzuleitung rückspeisen können.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Vorhandensein einer Spannung auf jeder einzelnen stromführenden Ader der Netzzuleitung gegenüber dem Schutzleiteranschluß geprüft. Da eine Ersatzstromquelle nicht mit dem Schutzleiteranschluß verbunden sein darf, tritt auf den stromführenden Adern der Netzzuleitung auch keine Spannung gegenüber Schutzleiterpotential auf, wenn die Netzzuleitung unterbrochen, z.B. der Netzstecker gezogen ist. Die Trennschaltmittel sprechen somit an, auch wenn aus der Ersatzstromquelle gespeist wird.

Gleichzeitig bewirkt die Verwendung des Schutzleiters zur Spannungsüberwachung eine sichere Überwachung des Schutzleiters selbst, denn die Trennschaltmittel treten auch bei Schutzleiterbruch in Aktion und trennen die unterbrechungsfreie Stromversorgungseinrichtung und ein über sie gespeistes Gerät in einem solchen Fall vom Netz ab. Es kann dann lediglich noch ein geringer, ungefährlicher Blindstrom über die beiden Kondensatoren zum Schutzleiteranschluß des Gerätes fließen, wenn mit dem Schutzleiter verbundene Teile des Gerätes von einer Person berührt werden.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist im Patentanspruch 2 beschrieben und stellt sicher, daß die Trennschaltmittel auch dann betätigt werden, wenn die Fühlerschaltung selbst, z.B. durch einen Bauelementeausfall, defekt wird.

Während eine im Anspruch 3 beschriebene Maßnahme einen präziseren Betrieb der im Patentanspruch 2 angegebenen Weiterbildung ermöglicht, werden durch eine im Anspruch 4 angegebene Ausgestaltung Bauelemente mehrfach genutzt und damit eine Vereinfachung der Schaltungsanordnung erreicht.

Unter Bezug auf zwei Figuren sollen nun Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ausführlich beschrieben und ihre Funktion erklärt werden.

Die Figuren stellen im einzelnen dar:

Fig. 1 Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit durch einen Optokoppler direkt angesteuerten Trennschaltmitteln.

Fig. 2 Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit erhöhter Sicherheit durch dynamische Betriebsweise.

In Fig. 1 ist schematisch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung UPS dargestellt, an deren Ausgang A zu speisende Verbraucher angeschlossen werden können und deren Netzzuleitung (Eingangsklemmen L und N) durch Kontakte t ₁, t₂ eines Relais T von der Stromversorgung UPS elektrisch abgetrennt werden kann. Die Kontakte sind hier Schließer, die im stromlosen Zustand der Relaiswicklung geöffnet sind. Der Relaiswicklung ist ein Ladekondensator C 6 parallel geschaltet.

Die Ansteuerung des Relais T geschieht über die Schaltstrecke eines Optokopplers OK. Diese Schaltstrecke liegt hierzu in Reihe mit der Relaiswicklung an einer Gleichspannung ± V. Die potentialmäßig von der Schaltstrecke getrennte Leuchtdiodenstrecke des Optokopplers ist anodenseitig über je einen Kondensator C 1, C 2 mit den Eingangsklemmen L und N verbunden. Die Kathode der Leuchtdiode des Optokopplers liegt auf dem Potential des Schutzleiters SL des Gerätesteckers, das dem Massepotential M eines über die unterbrechungsfreie Stromversorgung zu speisenden Gerätes entspricht. Eine Diode D 1 ist der Leuchtdiode des Optokopplers in entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel geschaltet. Die beiden Kodensatoren C 1 und C 2 sind so bemessen, und die Empfindlichkeit des Optokopplers so gewählt, daß ein von den Eingangsklemmen zum Schutzleiter fließender Blindstrom gerade ausreicht, den Optokoppler durchzuschalten, jedoch keinen so großen Wert annimmt, daß bei einem Schutzleiterbruch Personen, die mit auf Schutzleiterpotential liegenden Teilen des Gerätes in Berührung kommen würden, gefährdet wären.

Im Betrieb sind die Eingangsklemmen N und L sowie der Schutzleiter SL über einen Geräte-Netzstecker mit dem Stromnetz verbunden. Dabei liegt an einer der Eingangsklemmen eine Phase des Stromnetzes, an der anderen der Nulleiter, der im Normalfalle annähernd das Potential des Schutzleiters aufweist. Unabhängig davon, an welcher der Eingangsklemmen Phase anliegt, fließt Blindstrom über den mit der Phase verbundenen Kondensator. Positive Halbwellen werden dabei über die Leuchtdiodenstrecke des Optokopplers, negative Halbwellen über die Diode D 1 geleitet.

Die über die Leuchtdiodenstrecke des Optokopplers fließenden Stromhalbwellen steuern dessen Schaltstrecke durch, so daß die Wicklung des Relais T mit Strom beaufschlagt wird und die Kontakte t ₁ und t ₂ schließen. Gleichzeitig wird der Ladekondensator C 6 aufgeladen. Während der negativen Halbwellen des Blindstromes ist die Schaltstrecke des Optokopplers hochohmig. Während dieser Zeit wird der für das Relais T erforderliche Haltestrom dem Ladekondensator C 6 entnommen.

Wird der Netzstecker während des Betriebs des über die unterbrechungsfreie Stromversorgung gespeisten Gerätes herausgezogen, so sorgt die unterbrechungsfreie Stromversorgung dafür, daß eine Betriebsspannung in Höhe der Netzspannung aus einer Notstromquelle, z.B. einer Batterie über einen Wechselrichter geliefert wird. Diese Betriebsspannung steht zunächst auch an den Eingangsklemmen L und N an. Es kann jedoch kein Blindstrom über den Optokoppler fließen, da der Schutzleiter SL nicht mit der unterbrechungsfreien Stromversorgung verbunden ist. Das Relais T fällt demnach ab und seine Kontakte trennen den Netzanschluß von der unterbrechungsfreien Stromversorgungseinrichtung ab. Eine Berührung der Steckerkontakte wird damit ungefährlich. Auch ein Bruch des Schutzleiters bei gestecktem Netzstecker bewirkt eine Abtrennung des Gerätes vom Netz.

Es kann dann selbst bei defekten Geräten nicht mehr vorkommen, daß z.B. Gehäuseteile unter Spannung gegenüber Erdpotential stehen.

Da Wechselrichter, wie sie in unterbrechungsfreien Stromversorgungen verwendet werden, meist geschaltete Halbleiter enthalten, die hochfrequente Störungen in das Netz einspeisen können, sind oft aufwendige Entstörmaßnahmen erforderlich und vorgeschrieben.

Die in Fig. 1 dargestellten Kondensatoren C 1 und C 2 wirken hier zusätzlich als Entstörkondensatoren, die, wenn sie nicht allein zur Entstörung ausreichen, zumindest eine Reduzierung der sonst zur Entstörung erforderlichen Kapazitäten zulassen.

In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die eine erhöhte Sicherheit gegenüber Bauelementeausfällen besitzt. Die Schaltstrecke des Optokopplers OK ist hier mit einer Impulsformerschaltung IF verbunden, die aus einem Operationsverstärker V 1 und einem nachgeschalteten Paar zueinander komplementärer Transistoren TR 1, TR 2 besteht, deren Emitter miteinander verbunden sind und deren Kollektoren an die beiden Pole der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Ein Widerstand R 1 ist Lastwiderstand für die Schaltstrecke des Optokopplers und verbindet dessen Kollektorseite mit dem positiven Pol + V der Gleichspannung, ein Kodensator C 3, von der Kollektorseite der Schaltstrecke des Optokopplers gegen den negativen Pol - V der Gleichspannung geschaltet, dient der Unterdrückung von Eigenschwingungen. Der Mittelabgriff eines aus Widerständen R 2, R 3 bestehenden Spannungsteilers ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden und legt dessen Arbeitspunkt fest.

Die bei Erregung der Leuchtdiode des Optokopplers an der Kollektorseite der Schaltstrecke des Optokopplers entstehenden Spannungsimpulse werden dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt und sorgen an dessen Ausgang für eine Rechteckspannung, deren Halbwellen abwechselnd den Transistor TR 1 und den Transistor TR 2 durchschalten. Am Verbindunspunkt der Emitter der beiden Transistoren TR 1 und TR 2 steht damit eine im Takt der Netzwechselspannung zwischen den Werten + V und - V wechselnde Rechteckspannung an.

Diese Spannung wird über einen Koppelkondensator C 4 einer Diode D 2 zugeführt, die so gepolt ist, daß nur positive Stromimpulse auf einen Ladekondensator C 5 gelangen. Negative Spannungsimpulse werden über eine Diode D 3 zur negativen Seite der Gleichspannung hin abgeleitet. Der Ladekondensator C 5 lädt sich durch die Folge der positiven Stromimpulse auf, bis die Ladespannung ausreicht, um über einen Strombegrenzungswiderstand R 4 einen Schalttransistor TR 3 durchzusteuern, in dessen Kollektorzuleitung die Wicklung des Relais T liegt. Eine Freilaufdiode D 4 unterdrückt beim Stromloswerden der Relaiswicklung auftretende Spannungsspitzen.

Aus der Figur ist ersichtlich, daß jeder Bauelementeausfall im Bereich des Optokopplers und des nachgeschalteteten Operationsverstärkers zum Ausbleiben der Wechselspannung am Koppelkondensator C 4 führt. Damit ist aber ein Nachladen des Ladekondensators C 5 nicht mehr möglich, denn für Gleichspannung ist der Koppelkondensator undurchlässig. Auch ein Ausfall des Ladekondensators, der Dioden D 2 und D 3 oder des Widerstandes R 4 kann nicht zu einem Durchschalten des Schalttransistors TR 3 und damit zu einer Fehlfunktion des Relais T führen.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zum Schutz vor Rückspannung am Netzanschluß eines elektrischen Gerätes mit einer Fühlerschaltung, welche abhängig vom Anstehen von Netzspannung an den Adern der Netzzuleitung Trennschaltmittel ansteuert, die die Netzzuleitung elektrisch vom Gerät abtrennen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlerschaltung einen Opto-Koppler (OK) aufweist, dessen Schaltstrecke die Trennschaltmittel steuert und dessen Leuchtdiodenstrecke auf einer Seite über Kondensatoren (C 1, C 2) mit beiden Leitern (L, N) der Netzzuleitung, auf der anderen Seite mit dem Geräteschutzleiter (SL) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltmittel durch Schließer (t ₁, t ₂) eines Relais (T) gebildet werden und daß der Ausgang des Optokopplers über einen Koppelkondensator (C 4) und eine weitere Diode (D 2) mit einem Ladekondensator (C 5) und mit dem Eingang eines Treiberverstärkers (TR 3) verbunden ist, der das Relais (T) ansteuert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Optokoppler (OK) und den Koppelkondensator (C 4) eine Impulsformerstufe (IF) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (C 1 und C 2) die Entstörkondensatoren des elektrischen Gerätes sind und daß der Leuchtdiodenstrecke des Optokopplers (OK) eine Diode (D 1) antiparallel geschaltet ist.