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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
elektrische Überlastrelais
und insbesondere ein mehrphasiges Festkörper-Überlastrelais.
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Hintergrund
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Überlastrelais
sind elektrische Schalter, die typischerweise in einer Industrieumgebung
eingesetzt werden, um elektrische Geräte vor Schaden durch Überhitzung
zu schützen,
die wiederum durch übermäßigen Stromfluß verursacht
wird. In einem typischen Fall ist das elektrische Gerät eine Drehstrommotor,
der über
ein anderes, gewöhnlich
als Schütz
bezeichnetes Relais mit einer Stromquelle verbunden ist. Das Schütz wird
durch einen anderen Schalter gesteuert, der sich typischerweise
an entfernter Stelle befindet.
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In einer herkömmlichen Anordnung ist ein Überlastrelais
in Reihe mit dem Steuerschalter geschaltet, um seinerseits das Schütz zu steuern. Wenn
vom Überlastrelais
ein Überlastzustand
erkannt wird, betätigt
das Überlastrelais
den Schalter, der seinerseits das Schütz ausschaltet, das die Stromquelle
zum elektrischen Gerät
abtrennt und dadurch Beschädigung
des Geräts
verhindert.
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In der Vergangenheit sind bei Überlastrelais ohmsche
Heizleiter für
jede Phase benutzt worden, die sich in einem Wärmeübertragungsverhältnis mit einem
Bimetallelement befinden, das seinerseits einen Schalter ansteuert.
Wenn eine Überlast
gemessen wird, wie beispielsweise wenn eine ausreichende Wärmezufuhr
vom ohmschen Heizleiter zum Bimetallelement stattfindet, öffnet das
Bimetallelement wenn seinen zugehörigen Schalter, um die Schützspule
stromlos zu machen und das zugehörige
elektrische Gerät
von der Stromquelle abzutrennen.
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In US-A-4 876 622 ist eine Leistungsschalter-Warn-
und Steuervorrichtung offenbart, die eine Sichtanzeige eines bevorstehenden Überstromzustandes
bietet. Es ist genügend
Zeit für
einen manuellen Eingriff zugeteilt, um eine Beschädigung von
mit der Vorrichtung verbundenen Geräten vor der Aktivierung des
Leistungsschalters zu verhindern. Das Relais kann so angeordnet
sein, daß es
ausgewählte Geräte automatisch
in vorbestimmter Reihenfolge abschaltet, um einen Lastabwurf durchzuführen.
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In der letzten Zeit ist das ohmsche
Heizleiter-Bimetallelement-Relais
durch elektrische Überlastrelais
abgelöst
worden. Ein derartiges Relais ist in dem allgemein zugewiesenen
US-A 5 179 495 (EP-A-0 469 207) offenbart. Eine selbstgespeiste mehrphasige
Schaltungsschutzvorrichtung enthält eine
Mehrzahl von miteinander verbundenen und parallel zueinander geschalteten
Stromwandlern, die dazu geeignet sind, einzeln mit einer Phase einer mehrphasigen
Last verbunden zu sein. Die Stromwandler stellen Signale bereit,
die den in ihrer zugehörigen
Phase fließenden
Strom darstellen. Ein Schalter wird betätigt, um den Strom zur Last
als Reaktion auf ein durch eine Fehlerbestimmungsschaltung erzeugtes
Fehlersignal zu unterbrechen, wenn ein vorbestimmter Zustand, beispielsweise
Phasenverlust erkannt wird. Für
die Fehlerbestimmungsschaltung wird eine Stromversorgung bereitgestellt und
ist mit einer elektrischen Klemme verbunden.
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Die Ausgaben solcher Schaltungen
sind typischerweise niedriger Leistung und infolgedessen ist unter
Umständen
zur Steuerung des Schützspulenstroms
durch die Ausgabe ein elektromechanischer Schalter erforderlich.
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In einem Fall bleibt ein Überlastrelais
nach seiner Auslösung
in einer offenen Stellung und verhindert dadurch den Stromfluß zum Schütz und muß manuell
rückgesetzt
werden. Gewöhnlich
wird ein Druckknopf benutzt, so daß ein Bediener den Druckknopf
drücken
kann, um ein Rücksetzen
des Systems zu bewirken und die Kontakte des Überlastrelais zu schließen, damit
Strom wieder zur Schützspule
fließen
kann, wodurch wiederum die Schützkontakte
geschlossen werden und Strom zum elektrischen Gerät liefern.
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Während
Zeiten einer Überlast
werden Überlastrelais
des Standes der Technik typischerweise ausgelöst, nachdem die Überlast
eine Zeitlang aufgetreten ist. Diese verzögerte Auslösung trägt dazu bei, eine ungewollte
Auslösung
bei geringen Schwankungen oder Rauschen in den Signalen zu vermeiden.
Diese Relais geben jedoch typischerweise keine Warnung oder keinen
Alarm während
der Zwischenzeit zwischen der anfänglichen Erkennung einer Überlast
und der Auslösung
des Relais ab. Der Benutzer ist sich infolgedessen nicht bewußt, daß Überlasten
auftreten und kann keine Korrekturmaßnahmen zum Verhindern der
Auslösung
unternehmen.
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Während
der Zeiten eines Phasenausfalls werden Relais des Standes der Technik
typischerweise nach relativ kurzer Zeit nach dem Phasenausfall ausgelöst. Bei
Relais des Standes der Technik werden jedoch RC-Zeitsteuerungsschaltungen zur Bestimmung
dieser Verzögerungszeitabstände benutzt.
Da RC-Zeitsteuerungsschaltungen
für Wärme und
Feuchtigkeitsänderungen
empfindlich sind, kann sich die RC-Zeitkonstante mit diesen Änderungen verändern, was
zu ungewollten oder falschen Relaisauslösungen führen kann, die wiederum den
Motor beschädigen
können.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Festkörper-Überlastrelais
nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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Es ist wünschenswert ein Überlastrelais
bereitzustellen, das sich nach seiner Auslösung automatisch zurückstellt.
In diesen Fällen
sendet eine automatische Rückstellschaltung
periodisch ein Rückstellsignal
zu einem Auslösemechanismus,
um das Relais automatisch ohne Handhabung eines Rückstelldruckknopfes
oder ähnlichen
Mechanismus rückzustellen.
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Auch ist es wünschenswert, daß ein Überlastrelais
vor Auslösung
des Relais ein Überlastwarnsignal
oder Phasenausfallwarnsignal bereitstellt. Durch diese Warnung kann
dem Benutzer mitgeteilt werden, daß eine Überlast oder ein Phasenausfall aufgetreten
ist und ermöglicht
werden, daß vor
Abschalten des Motors Korrekturmaßnahmen unternommen werden.
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Zusätzlich ist es wünschenswert,
daß in
einem Überlastrelais
genaue Zeitsteuerungsschaltungen benutzt werden, die weniger empfindlich
für Schwankungen
in der Temperatur und Feuchtigkeit sind.
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Auch ist es wünschenswert, ein zuverlässiges und
genaues Überlastrelais
in einem kleinen Gehäuse
bereitzustellen, das wirtschaftlich hergestellt werden kann.
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Darüber hinaus ist es wünschenswert,
ein Überlastrelais
bereitzustellen, das genau zur Auslösung bei ausgewählten Überlastwerten
eingestellt werden kann.
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Durch die vorliegende Erfindung wird
ein neues und verbessertes Festkörper-Überlastrelais bereitgestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform überwacht
das Relais eine Drehstromlast, typischerweise einen Motor. Das Überlastrelais
enthält
eine Mehrzahl von Strommeßschaltungen,
die jeweils mit einem Phaseneingang zur Last verbunden sind, um ein
den Strom zu dem entsprechenden Phaseneingang darstellendes Signal
bereitzustellen. Zur Aufnahme dieser Signale und Bereitstellung
eines auf den mittleren Strom zu den Phaseneingängen bezogenen Signals sind
Summierungsmittel bereitgestellt. Eine Stromversorgung bewirkt die
Bereitstellung eines Bezugssignals und eine RC-Schaltung ist mit dem
Summierungsmittel verbunden. Mit dem Bezugssignal sowie der RC-Schaltung
ist ein Vergleicher zum Vergleichen eines Signals von der letzteren mit
dem Bezugssignal und Bereitstellen eines Überlastsignals, wenn das Strommittelwertssignal
eine Überlast
anzeigt, verbunden. Ein Schalter reagiert auf das Überlastsignal
und kann zum Unterbrechen des Stromflusses zur Last, mit der das Überlastrelais verbunden
sein kann, eingesetzt werden.
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Die Stromversorgung ist vorzugsweise
mit den Stromgebern verbunden, um elektrischen Strom von diesen
zu empfangen. Die Stromgeber sind vorzugsweise Stromwandler und
sind zueinander parallel geschaltet und ihrerseits in Reihe mit
der Stromversorgung an dem Eingang zu dieser geschaltet.
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Zwischen den Stromwandler und die
Stromversorgung ist eine Spannungsklemmvorrichtung geschaltet. In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Klemmvorrichtung eine Zenerdiode. Mit der Spannungsklemmvorrichtung
ist eine Leistungsvernichtungsschaltung verbunden, um die Verlustleistung
in dieser zu verringern.
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Das Überlastrelais der vorliegenden
Erfindung umfaßt
vorzugsweise Fehlererkennungsschaltungen, die mit den Strommeßvorrichtungen,
insbesondere Schaltungswandlern, und mit den Summierungsmitteln
verbunden sind, um den Ausfall einer Phase an irgendeinem der Phaseneingänge zu messen.
Diese Schaltungen umfassen vorzugsweise eine Mehrzahl von Vergleichern,
jeweils einen für jede
Phase der Last, und für
jeden Vergleicher ist eine Eingangsschaltung bereitgestellt. Jede Eingangsschaltung
ist mit einer entsprechenden Strommeßschaltung verbunden, um das
Stromsignal für die
zugehörige
Phase zu empfangen, und mit dem Summierungsmittel, um das Strommittelwertssignal zu
empfangen und ein auf die Summe derselben bezogenes Signal für den entsprechenden
Vergleicher bereitzustellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
sind digitale Impulsverlängerungsschaltungen
zwischen die Vergleicher und den Schalter zwischengeschaltet und
wandeln Impulsfolgen von den Vergleichern in Gleichstromsignale
um, um anzuzeigen, ob in dem entsprechenden Zweig Strom vorhanden
ist. Die digitalen Impulsverlängerungsschaltungen
sind mit einem digitalen Phasenausfallzeitgeber verbunden, der ein
Phasenausfallsignal abgibt, nachdem ein Phasenausfall für eine vorbestimmte
Zeitdauer erkannt worden ist. Dadurch wird verhindert, daß das Relais
während
geringer Schwankungen oder Rauschen in den Signalen ausgelöst wird.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Überlast- und Phasenausfall-Warnschaltungen vorgesehen,
um ein Warnsignal abzugeben, wenn ein Überlast- oder Phasenausfallzustand
erkannt wird. In den meisten Fällen
werden diese Warnsignale vor der Auslösung des Relais abgegeben,
da zwischen einem anfänglichen Überlast-
oder Phasenausfallszustand und der Auslösung des Relais eine Verzögerung besteht
(um ungewollte Auslösungen zu
verhindern), und können
daher den Bediener warnen, daß eine Überlast
oder ein Phasenausfall aufgetreten ist und dadurch dem Benutzer
ermöglichen, vor
der Auslösung
Korrekturmaßnahmen
zu unternehmen.
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Andere Vorteile werden aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offenbar.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen, die
in der Beschreibung aufgenommen sind und einen Teil derselben bilden,
stellen eine gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung dar und dienen zusammen mit der oben angeführten allgemeinen
Beschreibung und der unten angeführten
ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform zur Erläuterung
der Grundsätze
der Erfindung.
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1 ist
ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Überlastrelais;
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2 ist
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen integrierten Schaltung;
und
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3 ist
eine graphische Darstellung des Widerstands eines Potentiometers
als Funktion von Potentiometerknopfdrehung nach der Erfindung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Eine beispielhafte Ausführungsform
eines Überlastrelais
nach der Erfindung ist allgemein schematisch in der 1 dargestellt. Es ist allgemein beabsichtigt,
daß es
an eine Drehstromlast angekoppelt wird, obwohl seine Verwendung
nicht darauf begrenzt ist. Phasenleiter sind bei 10, 12 und 14 dargestellt
und mit der (nicht gezeigten) Last verbunden. Einzelne Stromwandler 16, 18 und 20 sind
jeweils mit den Leitern 10, 12 und 14 verbunden
und parallel zueinander über
den Leiter 22 geschaltet.
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Mit jedem Stromwandler 16, 18 und 20 ist
ein Strommeßwiderstand 24 verbunden.
Zwischen jedem Stromwandler 16, 18 und 20 und
seinem zugehörigen
Strommeßwiderstand 24 befindet
sich ein Knotenpunkt 26, 28 oder 30,
von dem ein den durch die zugehörige
Phase fließenden
Strom darstellendes Signal entnommen werden kann. Dioden 31 und 32 dienen
als Gleichrichter für
die Signale für
jede der Phasen, so daß auf
der Leitung 22 ein Gleichstromsignal vorliegt, das wiederum
mit einer allgemein als 34 bezeichneten ersten Stromversorgungsschaltung verbunden
ist. Zwischen dem gemeinsamen Knotenpunkt und der ersten Stromversorgung 34,
insbesondere zwischen dem durch die Dioden 31 und 32 definierten
Gleichrichter und der ersten Stromversorgung 34 befindet
sich eine elektrische Klemme in der Form einer Zenerdiode 36.
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Die erste Stromversorgung 34 enthält einen Belastungswiderstand 38 und
einen Kondensator 44 zur Spannungsspeicherung. Eine allgemein
als 48 bezeichnete zweite Stromversorgung stellt eine zweite Stromquelle
zum Speisen der Fehlerschaltungen während eines Fehlers (wie ausführlicher
unten beschrieben) bereit. Die zweite Stromversorgung enthält die Diode 40 und
den Kondensator 42 zur Energiespeicherung. Der Kondensator 44 der
ersten Stromversorgung 34 ist über die Diode 41 von
der zweiten Stromversorgung 42 abgetrennt. Wie ausführlicher
unten beschrieben wird dadurch verhindert, daß die im Kondensator 44 gespeicherte
Spannung während
eines Fehlers zu schnell abfällt.
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In der bevorzugten Ausführungsform
enthält das
Relais eine integrierte Schaltung 50. Nach der Darstellung
in 2 enthält die integrierte Schaltung 50 Phasenausfallerkennungsschaltungen 100,
Unterspannungs-Sperrschaltungen 130;
eine Überlastwarnschaltung 140;
eine Oszillatorschaltung 150; eine automatische Rückstellschaltung 160,
eine Phasenausfall-Vergleicherschaltung 180 und eine Ausgangstreiberschaltung 190.
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Die Unterspannungs-Sperrschaltung 130 enthält einen
ersten Abschnitt 132, der eine Bezugsspannung V+ bereitstellt.
Diese Spannung wird als Bezugsspannung für die verschiedenen Bestandteile der 1 und 2 mit
der Bezeichnung V+ genutzt. Die Sperrschaltung 130 enthält auch
einen zweiten Abschnitt, der einen Vergleicher 134 und
Spannungsteilerwiderstände 136 und 138 enthält. Die
Widerstände 136 und 138 sind
zum Aufnehmen von Strom aus der ersten Stromversorgung 34 und
zum Ableiten eines Proportionalspannungssignals bei Bezugsziffer 139 geschaltet.
Das Spannungssignal 139 wird dem Vergleicher 134 zum
Vergleich mit dem Bezugsspannungssignal V+ zugeführt. Der Vergleicher 134 liefert ein
Signal „Strom
gut" jedesmal dann,
wenn sich das Spannungssignal 139 auf oder über einen
vorbestimmten Wert befindet und das Bezugsspannungssignal V+ stabil
ist. Die Unterspannungs-Sperrschaltung 130 wird dazu benutzt,
falsche Auslösung
des Überlastrelais
zu verhindern, wenn das Bezugssignal nicht stabil ist. Auch stellt
die Unterspannungs-Sperrschaltung 130 sicher, daß der Kondensator 42 genug Energie
zum Auslösen
der Magnetspule aufweist.
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Der Drehstromverstärker 170 der
integrierten Schaltung 50, der den invertierenden Operationsverstärker 172 umfaßt, arbeitet
in Verbindung mit den in 1 gezeigten
diskreten Verstärkerschaltungen, die
allgemein durch die Bezugsziffer 80 angedeutet sind. Diese
Vorrichtungen sind zum Summieren und Verstärken der Signale von den Knotenpunkten 26, 28 und 30 angeordnet.
Insbesondere werden Signale von den Knotenpunkten 26, 28 und 30,
die negativ sind, einem Summierungspunkt 46 zugeführt, der
als ein Eingang in den invertierenden Operationsverstärker 172 in
der integrierten Schaltung geschaltet ist. Die sich ergebende positive
Ausgabe aus dem Verstärker 172 wird
proportional zu dem auf jedem der Leiter 10, 12 und 14 fließenden mittleren
Strom sein. Auch ist eine einstellbare Rückkopplung mit dem Potentiometer 82 zwischen
den Summierungspunkt 46 und den Ausgang zum Verstärker 172 geschaltet. Damit
kann der Benutzer die Schaltungen so einstellen, daß das Relais
bei einer ausgewählten
Motorüberlaststromstärke ausgelöst wird.
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Der Fachmann wird erkennen, daß aufgrund der
Rückkopplungsanordnung
des Verstärkers 172 der
Wert der Überlaststromstärkeeinstellung
eine reziproke Funktion des Potentiometerwiderstandes ist. Mit abnehmendem
Widerstand des Potentiometers erhöht sich damit die Stromstärkeeinstellung
und umgekehrt. Da jedoch die Stromstärke eine reziproke Funktion
des Widerstandes ist, hat eine kleine Widerstandsänderung
eine große
Auswirkung auf die Stromstärkeeinstellung
wenn der Widerstand des Potentiometers relativ niedrig ist (und
der Stromstärke-Nennwert
relativ hoch ist). Andererseits hat eine Widerstandsänderung
eine geringere Auswirkung auf die Stromstärkeeinstellung, wenn der Widerstand des
Potentiometers relativ hoch (und der Stromstärke-Nennwert relativ niedrig)
ist. Es ist infolgedessen schwierig, das Potentiometer bei höheren Stromstärkeeinstellungen
genau einzustellen, da geringe Widerstandsänderungen wesentliche Änderungen
der Stromstärkeeinstellung
bewirken. Dies ist besonders zutreffend, da Festkörper-Überlastrelais
gewöhnlich klein
und kompakt sind, und daher kleine Potentiometer aufweisen.
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Um dieses Problem zu mildern, ändert das Potentiometer 82 vorzugsweise
bei seiner Einstellung seinen Widerstand, so daß es die Stromstärkeeinstellungen
linearer beeinflußt.
Damit kann der Benutzer das Potentiometer 82 genauer auf
eine vorbestimmte Stromstärkeeinstellung
einstellen, besonders bei relativ höheren Stromstärkeeinstellungen. 3 zeigt den bevorzugten
Widerstand des Potentiometers 82 als Funktion der Potentiometer-Knopfdrehung.
In diesem Beispiel kann der Knopf von einer Stellung von 0° auf eine
Stellung von 280° gedreht werden
und der Widerstand des Potentiometers steigt als Funktion der Knopfdrehung
an. Anders als bei klassischen Potentiometern jedoch, steigt der
Widerstand des Potentiometers 82 bei Drehung des Knopfes
mit einer ersten Rate an und ändert
sich dann an einer vorbestimmten Stellung der Knopfdrehung in eine
zweite Rate.
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Insbesondere und wie in der 3 dargestellt, steigt der
Widerstand des Potentiometers 82 mit einer Rate als Funktion
der Knopfdrehung bis circa 140° Knopfdrehung
(rund 50 Prozent der Höchstdrehung)
und mit einer anderen Rate von circa 140° Knopfdrehung bis 280° Knopfdrehung
an. Wenn infolgedessen der Knopf des Potentiometers 82 um rund
50 Prozent seiner Maximaldrehung gedreht wird, hat sich der Widerstand
des Potentiometers um weniger als 50 Prozent seines Höchstwertes
erhöht. Wenn
an dieser Stelle der Knopf über
50 Prozent hinaus gedreht wird, steigt der Widerstand mit einer
höheren
Rate bis zu circa 100 Prozent seines Widerstands. Demgegenüber weisen
klassische Potentiometer typischerweise eine einzige lineare Widerstandsrate
während
der gesamten Knopfdrehung auf. Das zweiratige Potentiometer 82 ermöglicht dem Benutzer,
bestimmte Überlast-Nennwerte
leichter durch Einstellung des Potentiometerknopfes einzustellen,
besonders in Richtung der minimalen Widerstandseinstellung des Potentiometers
(entsprechend den maximalen Überlast-Nennwerten
des Relais.
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Der Fachmann wird natürlich erkennen,
daß das
Potentiometer 82 mit anderen Widerstandsänderungsraten
als Funktion der Knopfdrehung angeordnet werden könnte, um
im wesentlichen dieselbe Wirkung zu erzielen, z. B. einer exponentiellen
Rate, einer nichtlinearen Rate, mehrfachen (über zwei hinausgehenden) linearen
Raten usw. Das offenbarte Potentiometer mit zwei linearen Raten
ist nur beispielhaft. Auf ähnliche
Weise ist das offenbarte Potentiometer mit einer Knopfdrehung von
0 bis 280 Grad auch nur beispielhaft, da eine beliebige Art veränderlichen
Widerstands benutzt werden kann.
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Die Ausgabe vom Verstärker 172 ist
mit einer RC-Schaltung
verbunden, die aus Widerständen 54 und 56 und
Kondensator 58 besteht, und wird dann in die Phasenausfall-Vergleicherschaltung 180 in
der integrierten Schaltung eingegeben. Insbesondere wird dieses
Signal in einen Überlastvergleicher 182 eingegeben,
wo es mit dem Spannungsbezugssignal V+ verglichen wird. In den Vergleicher 182 ist
Hysterese eingebaut, um Schwingung zu vermeiden. Die Anordnung ist
derart, daß wenn
das den mittleren Strom anzeigende Signal das Bezugsspannungssignal
V+ um eine vorbestimmte Menge überschreitet, ein Überlastsignal
am Ausgang 184 des Überlastvergleichers 182 abgegeben
wird. Die Ausgabe 184 ist ihrerseits mit der Ausgangstreiberschaltung 190,
insbesondere mit dem Eingang eines ODER-Gatters 192 verbunden,
der Ausgang des ODER-Gatters 192 wiederum ist zusammen
mit der Eingabe von der Unterspannungs-Sperrschaltung 130,
die anzeigt, wenn der Strompegel gut ist, mit dem Eingang eines UND-Gatters 194 verbunden.
Wenn beide Zustände vorliegen,
liefert das UND-Gatter 194 ein Überlastsignal, um einen ein
MOSFET umfassenden Ausgangstreiber 196 einzuschalten. Der
Ausgangstreiber 196 ist verbunden mit und betätigt einen
Transistorschalter 92, der wiederum in Reihe mit einer
Fehlerspule 94 und der zweiten Spannungsversorgung geschaltet
ist.
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Wenn infolgedessen das den mittleren
Strom anzeigende Signal das Bezugsspannungssignal V+ um eine vorbestimmte
Menge überschreitet
und der Strompegel gut ist, wird die Fehlerspule erregt, um das
Relais mechanisch auf herkömmliche
Weise auszulösen.
Der MOSFET-Ausgangstreiber 196 wird dazu benutzt, den Transistorschalter 92 mit
einem Impuls von ausreichender Länge
zu versorgen, um den Betrieb der Fehlerspule 94 zu ermöglichen.
Hysterese in den Vergleichern 182 und 134 ermöglichen eine
Impulsbreite ausreichender Länge,
um die Auslösung
des Relais sicherzustellen.
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Es ist zu beachten, daß die aus
den Widerständen 54 und 56 und
dem Kondensator 58 bestehende RC-Schaltung einen Speicher
bereitstellt, um zu bestimmen, ob innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode
eine Auslösung
stattgefunden hat und eine schnellere Auslösung der Schaltung zu bewirken,
wenn dies der Fall gewesen ist. Auch stellt sie eine Verzögerung bereit,
damit kurze Überlastzustände, wie
beispielsweise während
Einfahrtzeiten, wenn die Last übermäßigen Strom
ziehen kann, auftreten können.
Die Zeitkonstante der RC-Schaltung mit
den Widerständen 54 und 56 und
dem Kondensator 58 ist relativ groß, um eine relative langsame
Entladung des Kondensators 58 zu ermöglichen. Infolgedessen wird,
wenn kurz vor der durch einen anderen Anstieg des mittleren Stroms
bestimmten Auslösung
eine vorangegangene Auslösung
stattgefunden hat, der Kondensator 58 nicht vollständig entladen sein
und sich schneller auf den Pegel aufladen, der letztendlich den
MOSFET-Ausgangstreiber 196 regelt. Es ist klar, daß je geringer
die abgelaufene Zeit zwischen der gegenwärtigen Auslösung und der vorangegangenen
Auslösung,
wie beispielsweise während
wiederholter Starts, ist, desto schneller die gegenwärtige Auslösung auftreten
wird. Mit diesem Merkmal soll die Überhitzung der Last verhindert
werden, die auftreten würde,
wenn die Auslösungszeit unter
allen Umständen
konstant bliebe. In einem derartigen Fall würden innerhalb kurzer Zeit
nacheinander auftretende Auslösungen
keine ausreichende Kühlung
der Last zulassen, so daß ein
Schaden entstehen könnte.
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Auch sollte man beachten, daß wenn die Fehlerspule
erregt wird, die ersten und zweiten Stromversorgungen über die
Diode 40, den Kondensator 42 und die Magnetspule
der Fehlerspule 94 kurzgeschlossen sind. Die Spannung der
ersten Stromversorgung fällt
infolgedessen während
der Zeit, wenn die Fehlerspule erregt ist, zeitlich ab. Wenn die
erste Stromversorgungsspannung soweit abfällt, daß sie die Bezugsspannung V+
unterschreitet, erniedrigt der Vergleicher 134 der Sperrschaltung 130 das
Signal "Strom gut". Dieser Zustand
wird in das UND-Gatter 194 eingegeben, das seinerseits den
Ausgangstreiber 196 rücksetzt,
der wiederum den Transistorschalter 92 rücksetzt
und die Fehlerspule stromlos macht. Dadurch wird der Ausgangstreiber 196 daran
gehindert, sich während
eines Unterspannungszustandes zu verriegeln, wodurch die erste Stromversorgung
kurzgeschlossen werden würde,
was wiederum die erste Stromversorgung daran hindern würde, jemals
eine normale Betriebsspannung zu erreichen.
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Auch bietet das Überlastrelais ein Mittel zum Auslösen, wenn
eine oder mehrere Phasen ausfallen. Das heißt, wenn der Strom auf einem
der Leiter 10, 12 oder 14 aufhört, wird
dieser Zustand gemessen und bewirkt eine Auslösung unabhängig von einem eventuellen
entsprechenden Anstieg in den zwei übrigen betriebsfähigen Phasen.
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Insbesondere ist eine Reihe von drei
Vergleichern 101, 102, und 103 in der
Phasenausfallerkennungsschaltung 100 jeweils so geschaltet,
daß sie den
Strom durch die zugehörige
Phase und den mittleren Strom durch alle Phasen nach der Darstellung in
den 1 und 2 anzeigende Signale empfangen. Wie aus
der 2 ersichtlich, ist der Eingang
zum Vergleicher 103 ein Leiter 106, der seinerseits
mit einem Knotenpunkt 108 von zwei Widerständen 110 und 112 verbunden
ist. Der Widerstand 112 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 172 verbunden,
um von diesem das Strommittelwertssignal zu empfangen, während der
Widerstand 110 mit dem Knotenpunkt 30 verbunden
ist, um das den Strom in der zugehörigen Phase darstellende Signal
von diesem zu empfangen. Gleichartige, gleichartig verbundene Leiter
und Widerstände
stellen Eingänge
für die Vergleicher 101 und 102 bereit.
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Die Ausgänge von den Vergleichern 101, 102 und 103 sind
mit Impulsverlängerungsschaltungen 114, 116 bzw. 118 verbunden.
Die Impulsverlängerer 114, 116 und 118 bestehen
vorzugsweise aus digitalen Zeitgebern. Die Ausgaben von den Vergleichern 101, 102 und 103 werden
in die Rücksetzeingänge der
digitalen Zeitgeber 114, 116 und 118 eingegeben.
Die digitalen Zeitgeber sind so angeordnet, daß wenn der Rücksetzeingang
niedrig bleibt, der Zeitgeber eine Zeitüberwachungsfolge beginnt und den
nichtinvertierten Ausgang nach einer vorbestimmten Zeitdauer bzw.
insbesondere nach Empfang einer vorbestimmten Anzahl von Taktsignalen anhebt
(und den invertierten Ausgang absenkt). Wenn der Zeitgeber während dieses
Zeitabstandes ein Rücksetzsignal
empfängt,
wird der Zeitgeber rückgesetzt
und beginnt die Zeitüberwachungsfolge von
neuem. Der invertierte Ausgang des Zeitgebers ist ein Spiegelbild
davon. Man wird infolgedessen erkennen, daß wenn in den Leitern 10, 12 und 14 die Phase
vorhanden ist, Impulssignale von den Vergleichern 101, 102 und 103 ausgegeben
werden. Mit diesen Impulssignalen werden die digitalen Zeitgeber 114, 116 und 118 rückgesetzt,
wodurch die Zeitgeber daran gehindert werden, eine Zeitüberwachungsfolge
zu verwenden. Die invertierten Ausgaben der Zeitgeber 114, 116 und 118 bleiben
infolgedessen hoch.
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Die invertierten Ausgaben der digitalen
Impulsverlängerer 114, 116 und 118 sind
mit den Eingängen
eines NAND-Gatters 120 verbunden, das seinerseits mit einem
NAND-Gatter 122 verbunden ist, das ebenfalls ein Signal
von der Unterspannungs-Sperrschaltung 130 empfängt, das
anzeigt, wenn der Strom gut ist. In 2 ist
auch ein wahlweises Phasenausfall-Freigabesignal 123 dargestellt. Dieses
wahlweise Signal wird ebenfalls in das NAND-Gatter 122 eingegeben
und fungiert als Steuersignal.
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Die Ausgabe vom NAND-Gatter 122 wird
in den Rücksetzeingang
des Phasenausfallzeitgebers 124 eingegeben. Der Phasenausfallzeitgeber 124 ist vorzugsweise
ein digitaler Zeitgeber.
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Man wird daher erkennen, daß wenn eines der
in das NAND-Gatter 122 eingegebenen Signale niedrig ist,
ein hohes Signal in den Rücksetzeingang des
Zeitgebers 124 eingegeben wird, wodurch der Zeitgeber am
Ablaufen gehindert wird, wodurch der nichtinvertierte Ausgang 126 des
Zeitgebers 124 niedrig bleibt. Man wird daher erkennen,
daß wenn das
wahlweise Phasenausfall-Freigabesignal 123 niedrig
ist, der Zeitgeber 124 ein hohes Rücksetzsignal empfängt und
nicht in der Lage sein wird, seinen nichtinvertierten Ausgang anzuheben.
Dasselbe gilt, wenn das Signal "Strom
gut" niedrig ist.
Auf ähnliche Weise
bleibt, wenn die Phase auf Leitern 10, 12 und 14 vorhanden
ist, die Ausgabe des NAND-Gatters 120 niedrig,
was wiederum bewirkt, daß die
Ausgabe des NAND-Gatters 122 hoch bleibt, wodurch der Zeitgeber
am Ablaufen gehindert wird.
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Es ist jedoch zu beachten, daß wenn eine Phase
auf einem der Leiter 10, 12 oder 14 ausfällt, die
Ausgabe vom NAND-Gatter 120 hoch sein wird. Wenn das Signal "Strom gut" und das wahlweise Phasenausfall-Freigabesignal 123 ebenfalls
hoch sind, wird in den Zeitgeber 124 ein niedriges Rücksetzsignal
eingegeben. Dadurch wird der Zeitgeber veranlaßt, seine Überwachungsfolge einzuleiten
und hebt seinen nichtinvertierten Ausgang 126 nach einer vorbestimmten
Anzahl von Taktsignalen an. Der digitale Zeitgeber 124 ist
so angeordnet, daß wenn
das Rücksetzsignal
niedrig geht, der nichtinvertierte Ausgang 126 des Zeitgebers
nach einem vorbestimmten Zeitabstand von Takten, vorzugsweise nach
rund 2 bis 2,9 Sekunden nachdem das Rücksetzsignal niedrig geht,
hochgeht. Durch diese Zeitverzögerung
wird unerwünschtes
Auslösen
verhindert.
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Der nichtinvertierte Ausgang 126 des
Zeitgebers 124 wird in die Ausgangstreiberschaltung 190 und
insbesondere in den Eingang des ODER-Gatters 192 eingegeben.
Wie oben beschrieben wird die Ausgabe des ODER-Gatters 192 zusammen
mit der Eingabe von der Unterspannungs-Sperrschaltung 130, die
anzeigt, wenn der Strompegel gut ist, in das UND-Gatter 194 eingegeben.
Wenn beide Zustände vorliegen,
liefert das UND-Gatter 194 ein Überlastsignal an den MOSFET-Ausgangstreiber 196,
der einen Transistorschalter 192 betätigt, der in Reihe mit der
Fehlerspule 94 geschaltet ist.
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Wenn infolgedessen eine Phase auf
mindestens einem der Leiter 10, 12 und 14 ausfällt und
die Phase eine Zeit lang ausgefallen bleibt, vorzugsweise circa
2 bis 2,9 Sekunden lang, wird die Fehlerspule zum magnetischen Auslösen des
Relais auf herkömmliche
Weise erregt. Der MOSFET-Ausgangstreiber 196 wird wiederum
dazu benutzt, den Transistorschalter 92 mit einem Impuls
zu versorgen, der lang genug ist, den Betrieb der Fehlerspule 94 zu
ermöglichen.
Hysterese im Vergleicher 134 ermöglicht eine ausreichende Impulsbreite,
das Auslösen
des Relais sicherzustellen.
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In der bevorzugten Ausführungsform
bestehen die Impulsverlängerer 114, 116 und 118 sowie der
Phasenausfall-Zeitgeber 124 aus digitalen Zeitgebern in
der integrierten Schaltung anstelle von diskreten RC-Schaltungszeitgebern.
Im allgemeinen sind digitale Zeitgeber genauer als RC-Zeitgeber,
sie sind weniger empfindlich für
Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen
und werden während
der Herstellung oder Verwendung nicht so leicht verunreinigt. Darüber hinaus
können
digitale Zeitgeber in einer integrierten Schaltung realisiert werden,
was Platz spart und wirkungsvolle und konsequente Herstellung erleichtert.
Die digitalen Zeitgeber 114, 116, 118 und 124 in
der integrierten Schaltung 50 bieten infolgedessen eine
zuverlässige
Schaltung in einem kleinen und kostengünstigen Gehäuse.
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Der Oszillator 152 in der
Oszillatorschaltung 150 erzeugt ein Taktsignal 154.
Das Taktsignal 154 wird in jeden der digitalen Zeitgeber 114, 116, 118 und 124 eingegeben,
um die Zeitgeber auf herkömmliche
Weise zu takten.
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In der bevorzugten Ausführungsform
enthält das Überlastrelais
eine allgemein durch die Bezugsziffer 140 angedeutete Überlastwarnschaltung,
die ein Warnsignal vor der Auslösung
des Relais bereitstellt. Insbesondere wird die Ausgabe des Verstärkers 172,
die den auf den Leitern 10, 12 und 14 fließenden mittleren
Strom anzeigt, in einen Vergleicher 142 eingegeben. Dieses
Signal wird mit dem Bezugssignal V+ verglichen, das ebenfalls in
den Vergleicher 142 eingegeben wird. Die Anordnung ist
derart, daß wenn
das den mittleren Strom anzeigende Signal das Bezugssignal V+ um
eine vorbestimmte Menge überschreitet,
ein Signal aus dem Vergleicher 142 abgegeben wird, das
wiederum mit einem Eingang eines UND-Gatters 146 verbunden
ist. Der Vergleicher enthält
Hysterese, um Schwingungen zu vermeiden. Das Signal von der Sperrschaltung 130,
das anzeigt, wenn der Strompegel gut ist, ist auch an einen Eingang
des UND-Gatters 146 angeschlossen. Wenn beide Zustände vorliegen,
gibt das UND-Gatter 146 ein Signal an ein Gatter eines
MOSFET-Treibers 148 ab, der seinerseits einen Warnsignalweg
zu Masse herstellt. Dieser Warnsignalweg kann auf herkömmliche
Weise zur Herstellung eines Signalweges für einen (nicht gezeigten) akustischen
oder optischen Alarm benutzt werden. Damit wird dem Benutzer vor der
Auslösung
des Relais eine prompte Warnung geboten, daß ein Überlastzustand aufgetreten
ist, wodurch ermöglicht
wird, daß Korrekturmaßnahmen
getroffen werden.
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In 2 ist
allgemein mit Bezugsziffer 210 ein getrennte Warnschaltung
bei Phasenausfall dargestellt. Insbesondere ist die Ausgabe des NAND-Gatters 122,
die wie oben beschrieben während
des Phasenausfalls auf einem beliebigen der Leiter 10, 12 oder 14 niedrig
ist, an den Inverter 212 angeschlossen. Der Inverter 212 invertiert
das Signal vom NAND-Gatter 122 und gibt dieses Signal in
das Gatter des MOSFET-Treibers 214 ein, der seinerseits einen
Weg für
das Phasenausfall-Ausgangssignal
zu Masse herstellt. Dieser Weg zur Masse kann auf herkömmliche
Weise zur Herstellung eines Signalweges für einen (nicht gezeigten) akustischen
oder optischen Alarm benutzt werden. Wenn infolgedessen eine Phase
auf einem beliebigen der Leiter 10, 12 oder 14 ausfällt, kann
ein Phasenausfall-Ausgangssignal abgegeben werden. Dieses Signal
wird vor der durch den Phasenausfallzeitgeber 124 auferlegten Verzögerung abgegeben.
Damit wird dem Benutzer vor dem Auslösen des Relais eine prompte
Warnung erteilt, daß die
Phase ausgefallen ist, wodurch Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können.
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In einer Ausführungsform enthält das Überlastrelais
eine Leistungsvernichtungsschaltung, die aus dem Schalttreiber 157 in
der Oszillatorschaltung 150, dem Arbeitszyklusschalter 158 und
MOSFET 159 besteht. Der Schalttreiber 157 leitet
vom Oszillator 152 ein Schaltausgabesignal 156 ab.
Dieses Schaltausgabesignal 156 ist an das Gatter des MOSFET 159 angeschlossen,
der seinerseits in Reihe zwischen die erste Stromversorgung 34 und
Masse geschaltet ist. Infolgedessen wird, wenn das Arbeitszyklussignal
hoch ist, der MOSFET bestromt und die erste Stromversorgung zu Masse
kurzgeschlossen. Damit wird die Verlustleistung in der Zenerdiode 36 herabgesetzt,
was wiederum den Gesamtstromverbrauch des Relais herabsetzt und
die vom Relais erzeugte Wärme
verringert. Das Arbeitszyklussignal des Schalttreibers 157 kann
gezielt durch Schließen des
Arbeitszyklusschalters 158 geändert werden. Beispielsweise
kann der Schalttreiber 157 so angeordnet werden, daß er einen
ersten Arbeitszyklus bereitstellt, wenn der Arbeitszyklusschalter 158 offengelassen
wird, und einen zweiten Arbeitszyklus, wenn der Arbeitszyklusschalter 158 geschlossen
ist.
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Darüber hinaus kann der Arbeitszyklusstift
in die integrierte Schaltung auch wie 2 dargestellt mit
dem Oszillator 152 verbunden sein. Der Oszillator 152 kann
so angeordnet sein, daß während des
Prüfens
der Prüfeingang 153 zu
Masse geschaltet werden kann, wodurch das Standard-Taktsignal gesperrt wird.
Es kann dann ein getrenntes, im voraus ausgewähltes Taktsignal über den
Arbeitszyklusstift in den Oszillator 152 eingegeben werden
und dieses getrennte Signal wird dann als Prüftaktsignal auf der Taktleitung 154 ausgegeben.
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Man wird erkennen, daß die Leistungsvernichtungsschaltungen
und Prüftaktschaltungen
der vorliegenden Erfindung hauptsächlich in der integrierten
Schaltung enthalten sind. Damit können diese Vorrichtungen digital
realisiert werden, was Platz spart, die Anzahl von Bauteilen verringert
und eine wirkungsvolle und zuverlässige Bauweise erleichtert.
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In der bevorzugten Ausführungsform
enthält das
Relais eine allgemein durch Bezugsziffern 160 und 200 angezeigte
automatische Rückstellschaltung.
Wie in der 1 dargestellt
ist die erste Stromversorgung mit einer durch den Kondensator 202 und Widerstand 204 angezeigten
RC-Zeitsteuerungsschaltung verbunden. Bei normalem Betrieb speichert
der Kondensator 202 eine zur ersten Versorgungsspannung
proportionale Spannung. Nach einem Überlastauslösungszustand fällt die
am Kondensator 202 bestehende Spannung durch den Widerstand 204 ab.
Die Diode 206 stellt eine getrennte Masse für die automatische
Rückstellschaltung
her. Dadurch können
die automatischen Rückstellschaltungen 160 und 200 unabhängig von
den anderen Relaisschaltungen, beispielsweiser den zwischen der ersten
Versorgungsspannung und Masse geschalteten Schaltungen betrieben
werden.
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Die allgemein durch Bezugsziffer 160 angedeuteten
Schaltungen stellen einen Impuls bereit, wenn die durch den Kondensator 202 gebildete Spannung
unter eine Bezugsspannung abfällt.
Dieser Impuls wird zum Verriegeln einer Rückstellspule 208 benutzt.
Insbesondere wird die Spannung am Kondensator 202 durch
Widerstände 161 und 162 geteilt.
Dadurch wird am Knotenpunkt 163 ein Spannungssignal gebildet,
daß zu
der Spannung am Kondensator 202 proportional ist. Die am
Knotenpunkt 163 gebildete Spannung wird in einem Vergleicher 164 eingegeben.
Durch die Bezugsschaltungen 165 wird auch eine Bezugsspannung
zur automatischen Rückstellung
gebildet und diese Bezugsspannung wird ebenfalls in den Vergleicher 164 zum
Vergleichen mit der am Knotenpunkt 163 gebildeten Spannung
eingegeben. Wenn die Spannung am Knotenpunkt 163 unter
die Bezugsspannung abfällt,
gibt der Vergleicher 164 ein Signal zum Impulsgenerator 166 aus,
der seinerseits ein Impulssignal zum Transistorschalter 210 ausgibt,
der in Reihe mit der Rückstellspule 208 geschaltet
ist. Wenn der Transistorschalter 210 einen Impuls vom Impulsgenerator 166 empfängt, stellt
er daher einen Signalweg vom Kondensator 202 durch die
Rückstellspule 208 zu
Vsss her. Damit wird die Rückstellspule 208 verriegelt,
wodurch das Relais rückgestellt
wird. Man wird demnach erkennen, daß während eines Fehlers die Spannung am
Kondensator 202 über
eine Zeitspanne abfällt, was
wiederum zum Rückstellen
des Relais führt.
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Aus dem Obigen wird man erkennen,
daß ein erfindungsgemäßes Überlastrelais
jegliches Erfordernis für
Heizleiter, das Volumen zur Aufnahme derselben und alle Mittel zum
Ableiten von Wärme
von diesen eliminiert. Weiterhin ermöglicht dasselbe die Auslösung bei
einem Phasenausfall, unabhängig
von einem eventuellen Anstieg der Strompegel zu den übrigen betriebsfähigen Phasen,
um ein schnelles Abtrennen zu ermöglichen, ehe irgendein Teil
der Last überhitzt
werden kann.
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Auch wird man erkennen, daß die digitalen Zeitgeber 114, 116, 118 und 124 hochgenaue
Zeitsteuerungsfunktionen bereitstellen, die wiederum ein zuverlässiges und
kompaktes elektrisches Relais ermöglichen, das für Wärme- und
Feuchtigkeitsschwankungen weniger empfindlich ist. Darüber hinaus
bietet die Überlastausfallwarnschaltung 140 ein Warnsignal
vor Auslösung
des Relais. Man wird erkennen, daß dieses Warnsignal zum Warnen
eines Benutzers vor Abschalten der Last benutzt werden kann, so
daß, wenn
gewünscht,
Gegenmaßnahmen ergriffen
werden könnten.
Darüber
hinaus ermöglicht eine
allgemein durch Bezugsziffer 160 und 200 angedeutete
automatische Rückstellschaltung
das automatische Rückstellen
des Relais nach einer Auslösung.
Man wird erkennen, daß dadurch
die Notwendigkeit eines manuellen Rückstellens des Relais durch
einen Benutzer eliminiert wird.
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In manchen Fällen ist es wünschenswert,
die vorliegende Erfindung in rauhen Umgebungen, wie beispielsweise
in Hochtemperaturumgebungen, zu benutzen. Die in der vorliegenden
Erfindung benutzten Kondensatoren sollten daher so aufgebaut sein, daß sie höheren Temperaturen
widerstehen und dabei genau arbeiten. Dadurch wird auch ein weiterer Nutzen
geboten, indem, wenn das Relais der vorliegenden Erfindung in einem
gewissen Temperaturbereich mit Kondensatoren für höhere Temperaturen benutzt wird,
die Kondensatoren eine bedeutend längere Lebensdauer als Kondensatoren
für niedrigere Temperaturen
aufweisen werden. Der Grund dafür ist,
daß Kondensator-Lebensdauernennwerte
typischerweise eine Funktion der Nennspannung und Temperatur sind
und daß die
Lebensdauer von Kondensatoren, die mit niedrigeren Spannungen und Temperaturen
als ihre Nennwerte betrieben werden, bedeutend ansteigt.
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In der Tat werden in der bevorzugten
Ausführungsform
bei dem Überlastrelais
der vorliegenden Erfindung Kondensatoren benutzt, die für 105 Grad Celsius
ausgelegt sind. Dadurch wird eine genaue Funktionsweise selbst in
Umgebungen hoher Temperatur (z. B. um 85 Grad Celsius) ermöglicht und
eine wesentlich längere
Lebensdauer der Kondensatoren geboten. Auf ähnliche Weise sind die in der
vorliegenden Erfindung benutzten Kondensatoren vorzugsweise für Spannungen
von 25 Volt Gleichstrom ausgelegt, obwohl die an die Kondensatoren
der vorliegenden Erfindung angelegten Spannungen im allgemeinen
im Bereich von rund 14,5 Volt Gleichstrom liegen. Dadurch werden
wiederum die Ausfallraten verringert und die Lebensdauer der Kondensatoren wesentlich
verlängert.
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Um die Dauerhaftigkeit und Lebensdauer
der bei dem Überlastrelais
benutzten Schaltungsplatinen und elektrischen Bauteile zu erhöhen, können die Platinen
und Bauteile mit einem Schutzbelag wie beispielsweise Silikon oder
Polyurethan beschichtet oder darin eingetaucht werden.