DE2023624A1 - Sicherheitsschranke zur Eigensicherung - Google Patents

Description

Anmelder^ Sybron Corporation, 1100 Midtown Tower, Rochester, N. Y. 14604, USA

Sicherheitsschranke zur Eigensicherung

Diese Erfindung betrifft die Eigensicherheit. Demgemäß wird eine elektrische Vorrichtung, welche für Leben, Gliedmaße und/oder Eigentum potentiell gefahrvoll ist, als eigengesichert betrachtet, vorausgesetzt, daß unter irgendwelchen, vernünftigerweise nicht vorhersehbaren Umständen eine solche Vorrichtung elektrische Funken, elektrisches Überhitzen, übermäßige Spannungshöhe bzw. Stromstärke, Risiken für menschliche Gesundheit oder Sicherheit und dergleichen auslöst. Wenn auch die Eigensicherheit in gewissem Sinne den Schutz der elektrischen Vorrichtung als solcher mit einbezieht, so ist es doch grundlegend, sicherzustellen, daß keinerlei Übel hervorgerufen wird, falls die elektrische Vorrichtung aus irgendwelchen Gründen beschädigt wird oder versagt. Wenn beispielsweise die Vorrichtung mechanisch beschädigt und die Eigensicherung ausgelöst wird, so tritt keine Funkenbildung oder Überhitzung ein, welche eine mit der Vorrichtung in Berührung stehende, entflammbare Atmosphäre entzünden könnte.

Der Stand der Technik lehrt das Verwenden von Sicherungen, Zenerdioden, Stromkreisunterbrechern, strombegrenzenden Widerständen usw., um Eigensicherheit, Schutzvorrichtungen und dergleichen zu schaffen. Die mannigfaltigen Kombinationen und Konfigurationen solcher Elemente, wie sie bisher vorgeschlagen wur-

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den, sind zu zahlreich, um eine ausführliche Beschreibung zu versuchen. Ein einfaches Beispiel jedoch würde eine Reihe von Widerstand und einer Zenerdiode sein. Der Widerstand begrenzt den Strom und die Diode die Spannung, welche an eine elektrische Vorrichtung angelegt ist. Wenn Spannung und Stromstärke so begrenzt sind, daß die Vorrichtung in keiner Weise und unter keinen Umständen eine gefährliche Wirkung seitens der elektrischen Energie auslösen kann, welche über den Widerstand an die Vorrichtung angelegt ist, so ist die Vorrichtung eigengesichert. Tatsächlich verwendet man Diode und Widerstand als eine Schranke, um zu verhindern, daß elektrische Energie in gefährlicher oder potentiell gefährlicher Höhe an die Vorrichtung angelegt wird.

Bei einem System gemäß dieser Erfindung wird elektrische Energie zu einem gefährlichen Bereich über einen mit Sicherung versehenen Widerstand- und Diodenstromkreis geleitet, welch letzterer, zusammen mit einem Hitzeabieiter aus Metall, in einer isolierenden Umhüllung enthalten ist, wobei der Hitzeableiter die Diodenhalterung,, den Rückweg für den elektrischen Strom und das Mittel bildet, um die Schranke auf einer geerdeten Stromschiene anzubringen und mit dieser elektrisch zu verbinden, wobei sich die Stromschiene außerhalb der Umhüllung befindet. Die Umhüllung ist mit Epoxydharz oder einer ähnlichen Einbettungsmasse fest gefüllt. Die Umhüllung und ihr Inhalt bildet daher einen starren, monolitischen Block, welcher im wesentlichen nicht reparierbar ist und schafft eine Schranke, welche den Durchgang elektrischer Energie oberhalb einer gegebenen Höhe verhindert.

Das erfindungsgemäße System weist einen ungefährlichen Bereich und einen gefährlichen Bereich auf, wobei die Bereiche über eine elektrische Schranke untereinander elektrisch verbunden sind. Die Schranke beschränkt sowohl Spannung und Stromstärke und besteht im wesentlichen aus einem monolitischen, nicht

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reparierbaren, auf einer geerdeten Stromschiene angebrachten Stromkreis aus einer Sicherung und drei in Reihe liegenden Widerständen sowie einem Paar Zenerdioden, welche an Zwischenpunkten der in Reihe liegenden Widerstände übermäßige Spannungen abführen.

Vorzugsweise besitzt der Stromkreis aus Widerstand und Diode einige Stufen. So leitet eine erste Zenerdiode Energie ab," wenn die Spannung über Sicherung und Widerstand übermäßig wird. Wenn, diese Überschreitung etwas andauert, so schmilzt die Sicherung durch, falls der Strom überschritten wird. Ohne die Diode könnte übermäßiger Strom lang genug bestehen bleiben, um vor dem Durchschmelzen der Sicherung gefährlich zu werden. Ferner ist ein zweiter Widerstand mit dem ersten Widerstand verbunden, um ebenfalls den Energiestrom durchzuleiten und eine zweite Zenerdiode leitet die Energie ab, falls die Spannung längs des zweiten Widerstandes übermäßig wird. Vorzugsweise werden die Dioden so gewählt, daß die zweite tatsächlich vor der ersten zündet. Ein dritter Widerstand ist schließlich mit dem zweiten Widerstand verbunden und leitet die Energie ebenfalls weiter und begrenzt diese Energie auf einen Sicherheitswert.

In der Praxis wurde gefunden, daß diese Art elektrischer Schranke in der Wahl und in den Zwisehenverbindungen aller Instrumente und Vorrichtungen im nichtgefährlichen bzw. sicheren Bereich, Freiheit erlaubt. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Schranke Sicherheit geben gegen einen Fehler, welcher so hoch wie 15OO Volt ist. Der typische, ungefährliche bzw. sichere Bereich ist jedoch ein Kontrollraumkomplex, in welchem man lediglich Fehlern begegnet, welche höher als 250 Volt ("R.M.S.'Oder Gleichstrom) liegen. Andererseits ist die Ausrüstung im gefährdeten Bereich im allgemeinen eigengesichert, vorausgesetzt, daß die Schranke die Ströme und Spannungen begrenzt, welche an die Ausrüstung im gefährdeten Bereich angelegt sind. Vorzugsweise bildet die erfindungsgemäße Schranke die elektrische Zwischen-

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fläche zwischen den sicheren und gefährdeten Bereichen. Die erfindungsgemäße Schranke ist praktisch narrensicher, im Gegensatz zu luftdicht gekapselten Gehäusen und ähnlichen baulichen Anordnungen/ weil die Schranke nicht reparierbar und mehr oder weniger wartungsfrei ist.

Die Fig. 1 der anliegenden Zeichnungen ist ein elektrisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schranke. Die Fig. 2 und 3 sind Grundriß- und Aufrißansichten, teilweise im Schnitt, und Fig. 4 ist eine Bodenansicht eines tatsächlichen Schrankenaufbaues. Die Fig. 5 und 6 entsprechen den Fig. 3 und 4, zeigen jedoch zusätzliche äußere Einzelheiten, von denen ein Teil ferner in Fig. 7 veranschaulicht ist. Fig. 8 ist eine schematische Ansicht des Erfindungsgegenstandes bei einer typischen Verwendung .

Fig. 1 zeigt den GrundStromkreis der Schranke mit speziellen Stromkreiswerten einer Ausführungsform. Das Schaltbild bedarf keiner weiteren Erläuterung mit Ausnahme des "angepaßten Paares" der Dioden Z, und Z«. Anpassen bedeutet in diesem Falle, daß die Dioden so ausgewählt sind, daß die zum Zünden bzw. Ansprechen von Z, erforderliche Spannung etwa 1 bis 1 1/2 Volt höher ist als die Spannung, welche zum Ansprechen von Z„ benötigt wird. Bei normalem Gebrauch ist eine Gleichstromquelle S mit den Enden 1 und 2 verbunden und eine Belastung L, im wesentlichen ein Widerstand, steht mit den Enden 3 und 4 in Verbindung. Wie in der Zeichnung gezeigt, sind die Verbindungen zu den Enden 2 und 4 geerdet. Diese Erdung ist normalerweise eine geerdete Stromschiene, welche alle geerdeten Punkte auf gleichem Erdpotential hält. Wie gezeigt, ist das System c- -\egativ geerdetes System, doch bei Umkehr der Dioden läge ein positiv geerdetes System vor. Für vorliegende Zwecke ist dies eine bloße Sache der Auswahl.

Beim Gebrauch wird die durch Stromquelle S zugeführte, elektrische Energie den durch Sicherung F fließenden Strom weder

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veranlassen, seinen bemessenen Wert zu überschreiten, noch verursachen, daß die Spannung an den Kathoden der Zenerdioden die Ansprechungsspannung der Diode überschreitet.

Die die Apparatur beinhaltende Belastung L befindet sich im gefährdeten Bereich und das normale Arbeiten der Stromquelle und der Apparatur besteht darin, daß die elektrische Energie an den Enden 3 und 4 sich unterhalb der Höhe befindet, bei welcher die Apparatur durch Erzeugen eines Funkens oder einer ähnlichen gefährlichen Wirkung reagieren kann, unter der Annahme, daß der
gefährdete Bereich beispielsweise ein solcher mit brennbarer
Atmosphäre ist. Unter diesen Umständen können die elektrischen Elemente der Apparatur der brennbaren Atmosphäre ausgesetzt werden, mit absoluter Sicherheit, daß infolge abnormalen Arbeitens der Apparatur keine Entzündung eintreten wird.

In einem typischen Fall ist beim normalen Arbeiten der
Widerstand des Systems der Stromquellenwiderstand, die 150 Ohm der Schranke und der Belastungswiderstand in Serie, wobei Belastungsspannung und -strom innerhalb der Sicherheitsgrenzen
verbleiben.

Jedoch ist es wesentlich, den Zusammenhalt der Schranke sicherzustellen, um die Vorteile ihrer elektrischen Eigenschaften (nachstehend im einzelnen beschrieben) zu erzielen. Die erfindungsgemäße Schranke bildet eine monolitischeForm, damit der
Schrankenschaltkreis im wesentlichen unzugänglich und nicht reparierbar ist, um menschlichen Eingriff, nämlich versuchte Wartung und/oder Reparatur, zu verhindern. Wenn beispielsweise der Schrankenschaltkreis sich in e^inem zugänglichen Gehäuse befände, wie "zum Beispiel in einem Kunststoffkasten mit entfernbarem
Deckel, und defekt zu sein scheint, so könnte man versucht sein, eine defekte Komponente, welche hinsichtlich ihrer Eigensicherungseigenschaft versagt hat, durch ein nichteigensicherndes
elektrisches Äquivalent, beispielsweise einen geformten Wider-

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stand aus Kohlenstoffmasse zu ersetzen, wobei dieser Widerstandstyp zu häufig versagen kann.

Erfindungsgemäß sind große Vorkehrungen getroffen, um Wartung und Reparatur über mehr als den Austausch der Schranke hinaus zu verhindern. Der elektrische Schaltkreis ist daher in Isoliermaterial eingebettet, welches in einem ebenfalls aus Isoliermaterial bestehenden Kasten enthalten ist, um eine monolitische Anordnung zu schaffen, welche leicht herzustellen ist und nach erfolgter Herstellung praktisch nicht mehr auseinander genommen werden kann.

Fig. 2 zeigt, daß der Sicherheitsschaltkreis in einem Kasten 5 untergebracht ist und daß dieser Kasten mit einem geeigneten, isolierenden Einbettungsmaterial 6, vorzugsweise einem Epoxydharz, fest angefüllt ist. Fig. 2 ist eine Ansicht von oben mit Blick nach abwärts in den Kasten durch eine offene Seite hindurch, welche mit Ausnahme durch die Füllung offen bleibt, wobei die ungefähre Höhe der Füllung durch den Pfeilkopf der Bezugszahl 6 in Fig. 2 angezeigt ist. Es sei bemerkt, daß die Füllung am rechten Ende des Kastens fortgebrochen ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, und an der linken Seite des Kastens fortgebrochen ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Zusammengenommen zeigen die beiden Figuren alle Inhalte und innere Einzelheiten des Kastens, welche fast, jedoch nicht ganz, seitlich symmetrisch sind, wobei die Symmetrie durch die Sicherung F und das Abteil für diese in der linken Seite des Kastens 5 gestört'wird.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, besitzen die Endungen 1 und 3 zur Ausrüstung im sicheren Bereich und zur Ausrüstung im gefährdeten Bereich die Form herkömmlicher Verbindungsorgange für elektrische Verbindung, bestehend aus Schraube mit Unterlegscheibe. Diese Verbindereinrichtungen bilden Teile der massiven, hexagonalen Blöcke 7 aus leitfähigem Metall, welche

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sich eng in Abteilungen 8 des Kastens 5 einpassen.

Die Sicherung F befindet sich relativ locker und vertikal in einem Abteil 9 in Nachbarschaft der linken Abteilung 8 (Fig.2) und besitzt eine Verlängerung 10, welche an einen Knopf 11 angelötet ist, wobei letzterer einen Teil des linken Blockes 7 bildet.

Die andere Verlängerung 11 der Sicherung F ist mit der Verlängerung 12 von R, mittels einer Hülse 13 zusammengebogen und hängt mehr oder weniger locker in vertikaler Stellung in der Hauptabteilung 14 des Kastens 5. Die Verlängerung 15 von R₁ wiederum ist mit Verlängerung 16 von R₂ an das Ende 17 von Z, angelötet, wobei dieses Ende ein Loch trägt (gezeigt mit 18 im Falle von Z₂* Fig. 2), durch welches die Verlängerungen 15 und 16 hindurchgehen.

Die Diode Z, ist eine solche mit Montagestutzen, wobei der Montagestutzen, wie gezeigt, die zweite Elektrode schafft, und ist eingeschrumpft in einen massiven, rechteckigen parapipedalen Messingblock bzw. Hitzeabieiter S, wobei auf dem Oberteil des Ableiters S, R₂ ruht. Die Diode Z„ ist ähnlich wie die Diode Z, angebracht. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Widerstände im Querschnitt rechteckig, sodaß die eine Stirnseite von IL fluchtrecht auf der oberen Seite des Blockes S liegt. Ein spaghettiartiges Isolierstück 19 deckt die Verlängerung 16 von R₂ ab, um jede Möglichkeit zu verhindern, daß die Verlängerung einen Schluß gegen den Ableiter S oder das Gehäuse von Z, bekommt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist das rechte Ende des Kastens ganz ähnlich dem in Fig. 3 gezeigten linken Ende mit der Ausnahme, daß dort sich keine Sicherung und auch keine Abteilung 9 befindet. So ist dort die Verlängerung 20 von R_ mit Verlängerung 20 von R- zusammengelötet, wobei beide Verlängerungen durch das Loch 18 der Endung 22 von Z₂ gehen und hiermit verlötet sind.

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und wobei ein spaghettiartiges Stück 23 auf der Verlängerung 20 vor Kurzschlüssen mit dem Block S oder dem Gehäuse von Z₂ schützt. Die Verlängerung 24 von R₃ ist natürlich mit Knopf 11 des rechten Endblockes 7 verlötet.

Wie Fig. 3 zeigt, besitzen die Endungen 2 und 4 von Fig. 1 die Form eines Paares von Muttern und Sperrunterlegscheiben 25, welche sich in üblicher Weise in Erdleitungen bzw. gewöhnliche Leitungen 26 und 27 einpassen. Die Leitung 27 ist die Stromrückleitung vom gefährdeten Bereich zur Schranke und die Leitung 26 ist die Stromrückleitung von der Schranke zum sicheren Bereich. Die Bolzen, welche die Endungen 2 und 3 bilden, gehen durch das Gehäuse 5 hindurch und sind in den Hitzeabieiter eingeschraubt, mit welchem sie einen starren, leitfähigen Kontakt bilden. Die Muttern 33 auf den Endungen 2 und 3 gehen frei durch Löcher 34 in den Boden 28.

Wie in den Fig. 3 und 5 gezeigt, sperren die Muttern 33 die Endungen 2 und 3 gegen den Hitzeabieiter ab und es ist eine Abdichtung 34 unter dem Hitzeabieiter vorgesehen, um zwischen dem Boden des Hitzeableiters S und der inneren angrenzenden Oberfläche des Bodens 28 abzudichten. Wenn erst das Epoxydharz hart ist, so haltert es den Schaltkreis und den Kasten 5 gegen den Hitzeabieiter. Wenn die Schranke an der Stromschiene befestigt ist, so wird die Stromschiene zwischen den Muttern 33 und den inneren Muttern 25 eingeklemmt. Dies isoliert den Kasten 5 mechanisch von der Stromschiene und gestattet die Anwendung starker Klemmkräfte durch die Muttern" 25 gegen die Stromschiene, wodurch gute Kontakte zur Stromschiene gewährleistet sind, ohne daß der Kasten 5 und sein Inhalt mit Ausnahme des Hitzeabieiters S gespannt wird. Die Stromschiene GB ist eine flache, blanke, derbe Kupferstange üblicher Längsausdehnung, welche sowohl für eine gute, niederohmige Erdung bzw. gemeinsame Ableitung, als auch für eine wesentliche Halterung der Schranke sorgt. Wie Fig. 4 zeigt, können mittels der gebrochenen Enden der Stromschiene GB und des Löcherpaares 29, eine unterschiedliche Anzahl

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von Schranken wie der gezeigten Schranke, parallel hierzu und im Abstand von dieser, an die Stromschiene angeklemmt werden.

Zum Zusammenstellen der Schranke werden die Schaltelemente, der Hitzeabieiter S und der Block 7, wie in der veranschaulichten Konfiguration gezeigt, einfach zusammengelötet und in anderer Weise zusammengestellt. Diese Zusammenstellung wird mehr oder weniger direkt danach in den Kasten 5 eingesenkt. Block 7 und Hitzeabieiter S werden zeitweilig in ihrer Stellung gehalten und dann füllt man eine mehr oder weniger flüssige Lösung von Epoxydharz in den verbleibenden Raum ein. Nachdem das Harz ^v hart ist, wird die zeitweilige Halterung, entfernt.

Nach dieser Tätigkeit liegt außer den Hhddn^Ml-4 vom Schaltkreis nichts frei und wenn das Harz härtet, so kann man an den Schaltkreis nicht herankommen, ohne den monolitischen Aufbau der Verbindungen, der Schaltelemente, des Kastens und der Füllung zu zerstören. Dies ist wichtig, damit ein Verfälschen und Fehlanweisungen oder unbefugte Anstrengungen bei Reparatur oder Instandhaltung der Schranke vermieden werden. Sie kann nicht zuviel beansprucht werden, da die Schranke nicht ausgebessert werden sollte, vielleicht mit Ausnahme in gewissem Ausmaß biszu einem vom Hersteller vollzogenen Neubau (obwohl dies wegen der Kosten nicht tunlich ist}. Es sei bemerkt, daß diese Abneigung gegen Instandsetzung oder Verfälschung nicht nur durch technische und herstellungsmäßige Betrachtungen bestimmt ist, sondern auch durch die Forderungen von Versicherern der die Eigensicherheit betreffenden Erstellung. In diesem Zusammenhang ist zu beobachten, daß die gezeigte Schranke hinsichtlich des. Erfüllens der Erfordernisse für Eigensicherheit unter den hier beschriebenen Gebrauchsbedingungen für die Versicherer annehmbar ist.

Die Fig. 5, 6 und7 veranschaulichen "das Äußere einer typischen handelsüblichen Ausführungsform. In Fig. 5 gibt ein her-

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vorstechendes Etikett den Zuständigkeitsbereich der Schranke und seine kritischen Merkmale an. Ib Fig. 6 zeigt ein weiteres Etikett seine Arbeitsspannung an. Die sichtbaren freien Räume auf beiden Etiketten sind vorgesehen für das Eintragen spezieller Daten wie der speziellen Gebrauchsanweisung, der billigenden Versicherung, der Katalognummer und dergleichen, welche gewöhnlich sämtlich dem Etikett aufgedruckt sind (obwohl hier fortgelassen).

Das Gefahrenende der Schranke befindet sich an der Endung 1, welche, wie aus Fig. 4 ersichtlich, in Nachbarschaft der Endung 1 mit. 1 bezeichnet ist. Ähnliches gilt für Endung 2, Endungen 3 und 4. Die Endungen 1 und 3 befinden sich im Kasten 5 in Aus parungen. Dies schafft einen Enddeckel 30 mit einem Loch J.i, welcher beabsichtigt ist, das rechte Ende des Gehäuses 5 abzudecken, wobei das Loch 37 die Aussparung verzeichnet, welche die Endung 3 enthält.

Wie aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich, sind Gehäuse und Dekkel leicht trapezförmig;, um zu gewährleisten,, daß der Deckel 30 nur paßt, wenn das Loch 3 7 die Endung 3 verzeichnet. Der Boden 28 des Kastens 5 besitzt zwei Rücken 31 und 35. Der Rücken 31 springt weit genug vor, um den Deckel 30 daran zu hindern, so weit auf den Kasten 5 gedrückt zu werden, daß der Kunststoffdeckel 30 zerspringt. Der Rücken 35 ist genügend leichter, um Druckanpassung des Deckels 30 auf dem Gehäuse 5 herbeizuführen, jedoch nicht so viel, daß der Deckel 30 zerspringt. Vorzugsweise befindet sich ein (nicht gezeigter.) leichter Rücken in der Innenseite des Deckels 30, welcher nach dem Rücken 35 zu drücken ist, um einen zwangsläufigen Verschluß gegen das Abgehen vom Gehäuse 5 zu schaffen.

Wie in Fig. 6 gezeigt, ist am Deckel 30 ein geeignetes Etikett angebracht, um den Verwender zu warnen, den Deckel nicht zu entfernen, ohne ausfindig zu machen, ob ein solches Entfernen

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angebracht ist oder nicht. Die Anbringung des Loches 37 dient dazu, um eine Biegung des Leitungsdrahtes zwischen Deckel und dem Gehäuseende 5 zu vermeiden. Wie die Fig. 2, 3 und 5 zeigen, kann ferner der Deckel 30 nicht falsch aufgelegt werden wegen der beeinträchtigenden Vorsprünge 32 am "gefahrvollen" Ende der Schranke.

Bei Betrachtung der Gesamtschrarike liegt das Gefahrenende an der Endung 1. Das heißt, daß dieses Ende außerhalb des Gefahrenbereiches zu halten ist. Das Ende am Deckel 30 jedoch ist das Sicherheitsende, welches in die Gefahrenzone gebracht werden kann. Wenn auch die Endungen 2 und 4 wirklich neutral sind, so kann doch irgend ein Kurzschluß von der Endung 3 zur Erde gefährlich werden, wenn nicht die Lage des Kurzschlusses sich außerhalb der Gefahrenzone befindet. Daher schützt der Deckel und natürlich die Isolierung, welche sich auf dem Draht befindet, der von der Endung 3 in die Gefahrenzone geht, das sichere Ende der Schranke vor Kontakt mit den gefährlichen Elementen der sicheren Umgebung. Die beste Lagerung für die Schranke ist jedenfalls direkt an der Kante des sicheren Bereichs an einem Punkt, wo die geringste Wahrscheinlichkeit unsicherer Verbindung zur Endung 3 besteht.

Im Betrieb ist die Schranke normalerweise bloß ein Reihenwiderstand. Solange die Schranke so arbeitet, braucht sich der Verwender nicht mit ihr über die Sichtung hinaus zu befassen, daß beispielsweise die äußeren Verbindungen in Ordnung sind, die Kappe 30 aufsitzt und dergleichen. Im abnormalen Falle jedoch überschreitet die elektrische Energie an den Endungen 1 und 2 die Sicherheitsgrenzen.

Der Schrankenschaltkreis ist so gebaut, daß er die Sicherheitsgrenzen zum Durchschmelzen der Sicherung lang genug einhält. Ferner ist der Schrankenschaltkreis konstruiert, dies zu tun, selbst wenn die eine oder andere seiner Komponenten ver-

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sagt. Die Widerstände R,, R„ und R₃ sind drahtgewickelte Widerstände, welche nur bei Sicherheit versagen können, das heißt, durch Öffnen des Stromkreises. Wenn ein Widerstand durchbrennt, so wird die Stromquelle S von der Belastung L automatisch abgetrennt.

Die Dioden Z- und Z_ sind von einer. Art, daß sie fast ohne Ausnahme durdi Kurzschluß versagen. So versagen Zenerdioden 1N2989B fast ohne Ausnahme durch Öffnen des Stromkreises. Dioden, dieses speziellen Typs und andere Typen, welche ebenfalls diese Eigenschaft der "Versagesicherheit" besitzen, sind von ™ verschiedenen Herstellern laufend erhältlich. Wie später zu sehen sein wird, müssen beide Dioden gleichzeitig versagen, um den Zweck des Schaltkreises zu vereiteln, d.h. das Versagen der Schranke infolge des Diodenversagens hat eine Wahrscheinlichkeit von etwa 1 zu Millionen.

Die Sicherung F ist die schwächste Verbindung. Verglichen mit der Zeit, welche eine Diode braucht, um in Reaktion auf Spannung bei Ansprechungsebene anzusprechen, braucht die Sicherung S (obwohl sie vorzugsweise von sogenannter "schnelldurchbrennender" Art ist) eine relativ lange zeit, um durchzuschmelzen. Ferner ist die normale Strombewertung der Sicherung keineswegs ein verläßlicher Index dafür, welcher Strom-Φ stärke, sie, ohne durchzubrennen,, standhalten wird. Die Dioden-Widerstand-Anordnung gewährleistet jedoch, daß die Sicherung durchbrennt, bevor die an den Endungen 3 und 4 verfügbare Energie eine gefährliche Höhe erreicht.

Irgendeine gefährliche Höhe an elektrischer Energie, welche an die Endungen 1 und 2 angelegt ist, steigert die Spannungen an den Dioden. Die Differenz zwischen den AnsprecThungsspannungen der Dioden stellt sicher, daß die erste ansprechende Diode die Diode Z₂ sein wird. Wenn Z„ anspricht, so steigert dies sofort die durch Sicherung F fließende Stromstärke. Diese Stei-

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gerung ist darauf zurückzuführen, daß die ansprechende Diode Z₀ einen Shunt geringen Widerstandes gegen Erde quer zu dem Widerstand R₃ und dem in Serie liegenden Belastungswiderstand bildet, wobei jeder dieser Widerstände groß ist im Vergleich zu dem Widerstand gegen Erde über die ansprechende Diode. Gewöhnlich wird die Sicherung F durchbrennen, während Z₀ die Spannung bis zur Ansprechungsspannung reguliert und den Strom nach Erde überbrückt.

Jedoch kann es gerade möglich sein, daß die Sicherung F nicht durchbrennt und tatsächlich in der Lage ist, genug Strom durch- ä zulassen, daß Z₀ überzogen wird. Falls Diode Z₀ überzogen ist, so sind deren Regel- und Überbrückungsfähigkeiten gesättigt. Nunmehr kann die Spannung wesentlich über die bemessene Spannung ansteigen und es könnte an den Belastungswiderstand mehr Energie angelegt werden, möglicherweise auf gefährlicher Höhe.

Falls jedoch die Sicherung F nicht durchbrennt und die Spannung über Z₀ anzusteigen beginnt, so spricht die Diode Z-, an, bevor die Spannung an Z₀ einen Sicherheitswert überschreitet. Das Ansprechen der Diode Z-, setzt den Widerstand, gesehen von Quelle A, noch weiter herab, was eine weitere Steigerung der Stromstärke durch Sicherung F hervorruft. Außerdem wird der Diode Z₀ durch das Ansprechen der Diode Z, gestattet, sich nor- mal einzuregeln, weil Z, den Strom nach Erde überbrückt und überzogen werden kann, während Z₀ in der Art einer normalen Zenerdiode mit der Regelung fortfährt. Solange nicht beide Zenerdioden gleichzeitig durch Stromkreisöffnung versagen, kann schließlich als übelstes geschehen, daß eine Diode dadurch versagt, daß sie kurz geschlossen wird, wodurch die Spannung über die Endungen 3 und 4 auf im wesentlichen Null abfällt und die Sicherung F durchbrennt, während im wesentlichen der gesamte Strom vom Belastungswiderstand abgeleitet wird, Unis: die Sicherung durchschmilzt.

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Falls die obige Aufeinanderfolge von Möglichkeiten eintritt, so erfolgt dies in viel geringerer Zeit, als dies das Beschreiben erfordert.

Es ist also ersichtlich, daß es unmöglich ist, daß der Schrankenschaltkreis sich in irgendeinem anderen Zustand als dem einen oder dem anderen befindet, wobei der eine Zustand der ist, daß ein Leiter mit etwa 150 Ohm Widerstand zwischen den Endungen 1 und 3 sich befindet, und der andere Zustand der ist, daß ein Leiter im offenen Stromkreis sich zwischen den Endungen 1 und 3 befindet.

Einmal in Gebrauch, wird die Schranke in ihrer Wirkung gerade ein anderes Verbindungsstück, oder genauer, eine andere Sicherung. Jedoch kann die Schranke ohne Zerstörung getestet werden, um ihren Arbeitszustand relativ vollständig zu bestimmen. Wenn der Schrankenschaltkreis gemäß Fig. 1 aufgebaut ist, so kann man den Widerstand zwischen den Endungen 1 und 3 messen. Falls der Widerstand von den Endungen 1 bis 3 ein anderer ist alsl51,6 Ohm +. 5%, plus 0,26% je ⁰C, bezogen auf 25°C, so sollte die Schranke als verdächtig zurückgewiesen werden.

Ein weiterer Test wäre, den Schrankenschaltkreis von Fig. 1 mit einer Gleichstromquelle bei lOOmÄ mit nicht verbundenen Enden 3 und 4 zu betreiben» Das heißt, daß die Spannung über die Endungen 1 und 2 ausreichen würde, beide Dioden zum Ansprechen zu bringen„ ohne daß jedoch die Sicherung F durchschmilzt. In diesem Falle ist die foIgende"FehlertabelIe" anwendbar:

Fehler Gleichspannung an Gleichspannung an Endungen 3 und 4 Endungen 1 und 3

keiner 28,50 bis 30,25 2,41 ± 0,38

Z, offen/abwesend 28,50 bis 30,25 ^{: l}" 3,16 + 0,18

Zp offen/abwesend 29,50 bis 31,50 1,16 +. 0,08

Z₁ & Z₂ vertauscht 28,50 bis 30,25 1,16 ± 0,08

Z,, Z₂ offen/abwesend etwa zugeführte etwa Null Z und/oder kurzge- Spannung
schlossen und/oder

umgekehrt 0 bis 0,7 typisch irrelevant

OA Λ (Si 12* A /4 S ^ f^
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Die Messungen sollten natürlich mit einem Voltmeter angegebener Genauigkeit durchgeführt werden, welches mindestens ein Megohm Eingangswiderstand aufweist.

Wenn eine Diode anspricht, so sieht die Belastung, was eine 30 Volt Batterie in Serie mit 120 Ohm während solcher Zeit zu sein scheint, wenn es die Sicherung bewerkstelligt, offen zu bleiben. Diese Charakteristik gestattet die Berechnung der Übertragungsleitung in die Gefahrenzone für den schlimmsten Fall. Der schlimmste Fall liegt natürlich vor, wenn die Impedanz der Übertragungsleitung gleich der Impedanz des Schrankenausganges ist. Daher kann die Energiemenge, welche der Belastung zugeliefert wird, einfach vermindert werden durch geeignete Fehlanpassung an die Schranke. Ferner sei bemerkt, daß durch Steigerung der Summe von Sicherungswiderstand, R,, R₂ und R^ auf 300 Ohm, der Schaltkreis von Fig. 1 eine Eigensicherheit für Apparaturen in einer Wasserstoffatmosphäre schafft. Der Reihenwiderstand jedoch ist auch mit Rücksicht auf den Belastungswiderstand zu wählen. Die etwa 150 0hm sind beispielhaft für einen Wert, welcher für Apparaturen mit einem Nennwert von 24 Volt, wie sie zur Zeit allgemein in Gebrauch sind, geeignet ist. Zufälliges Durchsickern bei der Diode im Schaltkreis der Fig. 1 besitzt unbedeutende Auswirkung auf die Genauigkeit der Übertragung.

Bei einer Schranke der in Fig. 1 gezeigten Art, liegt eine verläßliche Schätzung der Wahrscheinlichkeit gefährlichen Versagens in einem typischen System in der Größenordnung von 1 zu einer Trillion. Diese Größenordnung der Verläßlichkeit ist buchstäblich astronomisch. Zum veranschaulichenden Vergleich sei angenommen, daß ein Kraftwagen in guter Verfassung, bezogen auf die Verläßlichkeit typischer Kraftfahrzeuge, etwa 60 km ohne Versagen fährt, wohingegen ein Fahrzeug mit einer Verläßlichkeit, welche derjenigen der erfindungsgemäßen Schranke entspricht, etliche Rundfahrten von der Erde zur Sonne durchführen

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könnte, und zwar mit geringerer Erwartung eines einzigen, während der ganzen Reihe der Rundfahrten auftretenden Versagens.

Die Verläßlichkeit der erfindungsgemäßen Schranke ist von Industrieversicherern anerkannt worden, und zwar bis zu einem Ausmaß, daß die erfindungsgemäße Schranke zum Gebrauch für Klasse I, Abteilung I, Gruppen C und D, genehmigt ist. Beispielsweise umfaßt Klasse I gasförmige Medien, bei denen brennbare Atmosphären, einschließlich Ätftyläther, Äthylen und Cyclopropan normalerweise oder zufällig den brennbaren Teil der Atmosphäre bilden können. Beispielsweise gehören chirurgische Einrichtungen in ähnlicher Weise zu Umgebungen der Klasse I, Abteilung I oder II, Gruppe C. Der Unterschied zwischen den Abteilungen I und II besteht darin, daß die erstere Abteilung normalerweise gefahrvoll sein kann, während die letztere es gewöhnlich nicht ist. Indessen sind die obigen Bewertungen konservativ. Sie sind nicht als begrenzend hinzunehmen. Ihre Wichtigkeit besteht darin, daß Versicherer und ähnliche sich mit der Sicherheit befassende Körperschaften solche Bewertungen offiziell genehmigt haben. Wie vorstehend betont, kann die Schranke modifiziert werden, um Wasserstoffatmosphären, eine sogenannte Gefahrenklasse B, sicher zu machen, wenn auch dies zur Zeit nicht amtlich gebilligt worden ist.

Fig. 8 zeigt eine typische Einrichtung, bei welcher der sichere Bereich ein Steuerraum oder dergleichen ist, welcher einen Steuerschrank 50 enthält, bei dem verschiedene Einrichtungen mit Einheiten 61 bis 64 in der Gefahrenzone zu verbinden sind. Eine geerdete Stromschiene GB, welche mit vier Schranken versehen ist, ist am oberteil des Schrankes 50 gezeigt. An den rechten Enden der Schranken führen durch die Raumwandung hindurch Drahtleitungen nach außen in die Gefahrenzone. An den linken Enden der Schranken gehen Drähte zu der Ausrüstung im Steuerschrank. Die Stromschiene GB besitzt natürlich eine gute (nicht gezeigte) Erdverbindung.

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Der Steuerschrank 50 im sicheren Bereich enthält normalerweise unterschiedliche elektrische Ausrüstung, wie elektrisch arbeitende Verfahrensanzeiger, Regler, Energiezuführer, Wechselstrom-Hauptausgänge, elektrische Computer oder deren Ausgangsendungen und dergleichen. Der Gefahrenbereich enthält andererseits verschiedene Verfahrensausrüstungen und elektrische Meß- und Steuereinrichtungen, welche über die Schranken mit der vorerwähnten elektrischen Ausrüstung elektrisch gekoppelt sind. Falls der gefährdete Bereich brennbares Material enthält, können die elektrischen Einheiten dem brennbaren Material mit Sicherheit ausgesetzt sein, vorausgesetzt, daß diese Einheiten daran gehindert werden können, Hitze oder Funken zu erzeugen, welche einer Entzündung fähig sind. Die Schranke verrichtet diese Funktion und umgeht daher solche Hilfsmittel wie luftdicht gekapselte Gehäuse und ähnliche bauliche Kunstgriffe, mittels welcher bisweilen versucht wird, es gefährlichen elektrischen Erscheinungen zu erlauben, sicher in gefährdete Bereiche vorzugehen, indem man sie baulich isoliert. Diese baulichen Kunstgriffe sind mühevoll und man muß große Sorgfalt darauf verwenden, sie in Ordnung zu halten, weil ein Versagen leicht übersehen wird. Beispielsweise kann eine leicht übersehene, mangelhafte Einpassung des Deckels eines luftdicht gekapselten Apparaturgehäuses einen flammenfortschreitenden Weg zwisehen elektrischer Ausrüstung innerhalb des Gehäuses und einer äußeren, brennbaren Atmosphäre hinterlassen. Dies bedeutet, daß die bauliche luftdichte Kapselung nicht "eigensicher" ist. Die Apparatur innerhalb des Gehäuses kann bei normalem Arbeiten völlig gefahrlos sein, das heißt, wenn ihre Stromstärke und/oder Spannung diejenige bleibt, für welche die Apparatur gebaut ist. Das Gehäuse kann jedoch nicht verhindern, daß Strom- und Spannungshöhe als Folge unglücklicher Zufälle oder Fehlarbeiten außerhalb der Gefahrenzone überschritten werden.

Andererseits erlaubt die erfindungsgemäße Schranke nicht, daß erst gefährliche Spannungen oder Ströme in die Gefahrenzone

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eingeführt werden, da es völlig sicher ist, es der brennbaren Atmosphäre zu erlauben, mit der elektrischen Ausrüstung (verbunden mit den erfindungsgemäßen elektrischen Schranken) im Gefahrenbereich in Berührung zu kommen.

Die hier veranschaulichte Schranke entspricht im wesentlichen genau der handelsüblichen Ausführungsform der Erfindung. Die Teile des Schaltkreises sind sämtlich laufend von verschiedenen Herstellern zu beziehen und beim Zusammenstellen des Schaltkreises ist es der einzige selektive Schritt, die Dioden so auszuwählen, daß die Zenerspannung der Diode Z, diejenige von Z„ um etwa ein Volt überschreitet.

An dem veranschaulichten Aufbau kann man bestimmte Einsparungen vornehmen, jedoch mit dem Ergebnis, daß das Merkmal der Eigensicherheit herabgemindert wird. Beispielsweise wird aus erster Sicht nahegelegt, daß es tatsächlich höchst unwirtschaftlich ist, eine Schranke wegen des Ausfallens der Sicherung F (normale Kosten etwa 50 Pfennig) zu verwerfen. Wenn jedoch der Verbraucher Zugang zur Sicherung hat, um diese auszuwechseln, so ist es unglücklicherweise unmöglich, einen Schutz gegen Ersatz durch eine falsche Sicherung oder sogar durch etwas zu geben, was überhaupt keine Sicherung ist. Dies ist potentiell sehr gefährlich. Von einem Gesichtspunkt aus besteht der gesamte Punkt der Schranke darin, sicherzustellen, daß eine richtig gewählte Sicherung in hinreichender Zeit durchbrennt, um gefährliche Höhen an elektrischer Energie vor dem Eintritt in die Gefahrenzone anzuhalten. Da der zweck der Schranke es wahrscheinlich ist, das Vernichten von Ausrüstungen im Werte von tausenden von Mark oder mehr zu verhindern, fordern sowohl die Praxis als auch die Theorie, daß die Schranke völlig ersetzt wird, nachdem sie einmal ihre Arbeit verrichtet hat.

Nxchtsdestoweniger sind bestimmte Abänderungen möglich. Beispielsweise ist R₃ ein Präzisionswiderstand, welcher zusammen

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mit Z₂ eine Gleichstromquelle gegebener Eigenschaften im Hinblick auf die Belastung präzise definiert, in welche hinein die Quelle arbeitet. Diese Belastung wird eine übertragungsleitung und ein Instrument mit bekannten kapazitiven und induktiven Eigenschaften umfassen. Kennt man die Stromguelleneigenschaften genau, so ist man in der Lage, den übelsten Fall zu bestimmen, nämlich jenes Ausmaß an Übertragungsleitung usw., in welches die Quelle Energie mit optimaler Wirksamkeit übertragen kann. Dies erlaubt ein Fehlanpassen von Stromquellenimpedanz und Belastungsimpedanz durch genügendes Verlängern oder Verkürzen der Übertragungsleitung, um das Eintreten des übelsten Falles zu verhindern, sollte dieser Fall insoweit an der Grenzlinie liegen, als es die Eigensicherheit betrifft. Andererseits ist R₃ im wesentlichen auch ein Teil des Belastungswiderständes und könnte in einigen Fällen auch baulich ein solcher sein.

Wiederum sind R, und F im wesentlichen ein Widerstand, doch wegen der Verfügbarkeit ist es gewöhnlich praktischer, sie als getrennte Einheiten zu haben. Die Endungen 1 und 2 sind wiederum durch eine Batterie oder einen Generator irgendwelcher Art angetrieben und natürlich kann Z, nicht zwischen Generatorimpedanz. Sicherung F und Widerstand R₁ unterscheiden, sodaß in einem seltenen Fall diese drei Einheiten zu einer zusammengefaßt werden könnten.

Zenerdioden sind nicht die einzige Art an verfügbaren Ausfallvorrichtungen, werden jedoch empfohlen wegen ihrer leichten Verfügbarkeit eines weiten Spektrums an Eigenschaften an Herstellern usw. von Zenerdioden. Für Niederspannungssysteme festen Zustandes, wie sie hier ins Auge gefaßt sind, sind Zenerdioden ideal.

Patentansprüche

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   f1.J Elektrische Sicherheitsschranke zur Eigensicherung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: Einen Kasten (5); erste von außen zugängliche elektrische Verbindungsmittel (1) in der äußeren Oberfläche des Kastens (5)? und zweite von außen zugängliche elektrische Verbindungsmittel (3) in der äußeren Oberfläche des Kastens (5), wobei die Stellen der Verbindungsmittel (1, 3) durch die äußere Oberfläche des Kastens (5) voneinander getrennt sind? strombegrenzende und spannungsbegrenzende Schaltkreismittel innerhalb des Kastens (5), welche die Verbindungsmittel (1/ 3) untereinander verbinden; und Einbettungsmittel (6), welche die Schaltkreismittel im Kasten (5) nicht reparierbar einhüllen und einbetten..
2. 2. Schranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kasten (5) in seiner äußeren Oberfläche eine Aussparung besitzt und das eine dieser elektrischen Verbindungsmittel sich in dieser Aussparung befindet und die nicht ausgesparte äußere Oberfläche des Kastens (5) dieses eine der elektrischen Verbindungsmittel von dem anderen elektrischen Verbindungsmittel trennt.
3. 3. Schranke nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichn e t , daß sie dritte von außen zugängliche elektrische Verbindungsmittel in der äußeren Oberfläche des Kastens (5) aufweist, welche von den beiden zuvor genannten Verbindungsmitteln durch die äußere Oberfläche des Kastens (5) getrennt sind.
4. 4. Schranke nach Anspruch 1, dadurch" gekennzeichn e t , daß sie eine Kappe (30) aufweist, welche am Kasten (5) eingepaßt ist und das eine der elektrischen Verbindungsmittel

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   bedeckt und eine Öffnung (37) aufweist, welche mit diesen Verbindung smi tte In aufeinander paßt.
5. 5. Schranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kasten (5) eine offene Stirnseite besitzt und in sich Abteilungen aufweist, welche sich nach dieser offenen Stirnseite zu öffnen, wobei Komponenten der Schaltkreismittel sich in diesen Abteilungen befinden und wobei Einbettungsmittel (6) den Kasten (5) im wesentlichen bis zu der offenen Stirnseite füllen.
6. 6. Schranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Halterungsblock aufweist, wobei auf diesem Block Komponenten des Schaltkreises angebracht sind und der Block durch die Einbettungsmittel am Kasten (5) befestigt ist. , \
7. 7. Schranke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie dritte von außen zugängliche elektrische Verbindungsmittel in der äußeren Oberfläche des Kastens (5) besitzt, welche von den beiden zuvor erwähnten Verbindungsmitteln durch die äußere Oberfläche des Kastens (5) getrennt sind, wobei die dritten Verbindungsmittel leitend an diesem Block befestigt sind und der Block aus leitfähigem Material besteht, welches leitend mit dem Schaltkreis verbunden ist.
8. 8. Schranke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese dritten elektrischen Verbindungsmittel außerhalb des Kastens (5) Befestigungsmittel zum Befestigen des Kastens schaffen.
9. 9. Schranke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an diesem Block Befestigungsmittel für das Anbringen des Kastens befestigt sind, wobei diese . Befestigung smi t--

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   tel sich außerhalb des Kastens befinden.
10. 10. Schrankensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: Einen ersten Widerstand (R₁), einen zweiten Widerstand (R₂)' einen dritten Widerstand (R₃), eine erste Diode (Z,) und eine zweite Diode (Z~)7 wobei das eine Ende des ersten Widerstandes mit einem Ende des' zweiten Widerstandes und mit einer Elektrode der ersten Diode verbunden ist, und wobei das eine Ende des dritten Widerstandes mit dem anderen Ende des zweiten Widerstandes und einer Elektrode der zweiten Diode verbunden ist, und wobei jede der besagten einen Elektrode wie die andere besagte eine Elektrode ist; und gekennze ichne t durch die weiteren Merkmales Eine elektrische Energiequelle und eine Belastungseinrichtung, einen ersten Gleichstromleiter, einen zweiten Gleichstromleiter und einen dritten Gleichstromleiter, wobei eine erste Endung dieser Quelle mit dem ersten Gleichstromleiter verbunden ist, und eine erste Endung der Belastungseinrichtung mit diesem ersten Gleichstromleiter verbunden ist, und die anderen Elektroden der Dioden mit dem ersten Gleichstromleiter verbunden sind, und eine zweite Endung der Quelle mit dem anderen Ende des ersten Widerstandes über den zweiten Gleichstromleiter verbunden ist, und eine zweite Endung der Belastungseinrichtung mit dem anderen Ende des dritten Widerstandes über den dritten Gleichstromleiter verbunden ist? wobei diese Quelle ihre innere impedanz wirksam verbunden hat zwischen ihren genannten -Endungen, und die Belastungseinrichtung ihre innere Impedanz verbunden hat zwischen ihren genannten Endungen, und wobei die relative Polarität der Quelle und der Dioden so ist, daß die Dioden nicht leiten, mit Ausnahme der Spannung, welche anliegt, wenn die Quelle ihre Äusfallspannungen überschreitet? wobei der sweite Leiter als seinen Teil eine Sicherung aufweist^ durch x^elche der gesamte Strom zwischen diesen ersten Endungen fliefi-b; und wobei zum Schrarikensystem ein

    Kasten gehört, welcher die Widerstände und die Dioden und Einbettungsmittel enthält, welch letztere nicht reparierbar die Widerstände und Dioden in dem Kasten einhüllen und einbetten.
11. 11. Schranke nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kasten auch die Sicherung enthält.
12. 12. Schranke nach Anspruch 10, dadurch ge k^e nnzeichn e t , daß der Kasten einen ersten Teil dieses dritten Leiters hinein vorspringend besitzt für das Verbinden mit diesem anderen Ende des dritten Widerstandes, wobei dieser Teil ein elektrisches Verbindungsmittel ist, welches sich in einer Aussparung der äußeren Oberfläche des Kastens befindet; wobei dieser Leiter einen zweiten Teil besitzt, welcher an diesem Leiter befestigt ist und hiervon in Form eines isolierten Drahtes zum Restteil dieses Leiters geht; und wobei der Kasten eine auf sich eingepaßte Kappe besitzt, und diese Kappe eine Öffnung sowie Befestigungsmittel aufweist, welche die Kappe an diesem Kasten befestigen, wobei die Öffnung mit diesem elektrischen Verbindungsmittel zusammenpaßt und der Draht durch diese Öffnung hindurchgeht. .

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