DE3702970A1 - Schutzeinrichtung fuer elektrisch betriebene geraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrisch betriebene, insbesondere trag­ bare Geräte, die mit flüssigen Medien arbeiten oder in Berührung kommen können, mittels einer beweglichen Netzanschlußleitung mit dem ortsfesten Stromversorgungsnetz fest oder lösbar verbunden sind und eine elektronische Schutzeinrichtung als Lecksicherung oder zum Schutz des Benutzers vor einem elektrischen Schlag be­ sitzen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Geräte dieser Art sind z. B. Waschmaschinen und Spülmaschinen (DE 25 39 279), Tauchpumpen-Lecksicherung-, Luftsprudelmassage­ geräte (DE 26 31 785), Küchengeräte, Haartrockner (EP-A 1831), Heizlüfter, Bestrahlungslampen, die auch in Feuchträumen benutzt werden - Stromtod -.

Die elektronische Schutzeinrichtung spricht über Meßfühler (Son­ den) an und schaltet bei Wasch- und Spülmaschinen die Wasserzu­ leitung bzw. bei Haus-, Küchen- und Werkstattgeräten das Netz zweipolig vom Gerät ab. Die Abschaltung erfolgt mittels Magnet­ ventil (DE 25 39 279) bzw. mittels Relais (DE 26 31 785, EP-A 1831) oder durch Auslösung eines schmelzdrahtgesicherten Schutz­ schalters (DE 32 08 147).

Die Schutzeinrichtung kann jedoch gefährlich unwirksam werden, wenn in der zum Gerät gehörenden beweglichen Netzanschlußleitung ein Aderbruch eintritt. Diese Ader kann bei doppelt isolierten Geräten, die nur eine zweiadrige Netzanschlußleitung benötigen, der Null-Leiter sein. Das Gerät ist zwar dann nicht betriebs­ fähig, kann aber eingeschaltet sein oder werden und dann unter Spannung stehen.

Die Verlegung der Schutzeinrichtung samt Relais oder Schalter in den Netzstecker der Netzanschlußleitung (DE 26 31 785, EP-A 1831) bedingt zunächst eine vieradrige Leitung (je zwei Adern für die Stromversorgung und für die Steuersignale zur Schutzein­ richtung) und bietet auch keine volle Sicherheit, denn die gebro­ chene Ader kann eine der Meßfühler-(Sonden-) Leitungen sein. Diese Gefahrenquelle ist in keinem der bekannten Vorschläge er­ kannt bzw. beachtet worden. Lediglich bei dem Haartrockner nach EP-A 1831 ist durch doppelte Abschirmung der Adern - einzeln oder gemeinsam - für einen Schutz gegen mechanische Beschädigung gesorgt; dies reicht jedoch nicht aus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrich­ tung und Anordnung der beschriebenen Art mit möglichst geringem baulichen oder schaltungstechnischen Aufwand für weitgehende Eigen­ sicherheit zu sorgen, derart, daß das Gerät bei Ausfall des Schutzes sofort stromlos ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kombination von elektronischen und mechanischen Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Kombination wird eine eigensichere Schutz­ einrichtung geschaffen, die nicht nur, wie andere ungesicherte Schutzeinrichtungen auch, beim Eindringen z. B. von Wasser in das Gerätegehäuse die Netzspannung bereits im Netzstecker innerhalb kürzester Frist - wobei es auf die Ausführung des Schutzschalters ankommt - allpolig irreversibel abschaltet, bevor der Benutzer über das eindringende Wasser mit spannungführenden Teilen des Ge­ rätes in Verbindung kommen kann, sondern zusätzlich die ständig Netzspannung führende Netzanschlußleitung bis zum Netzstecker in den Schutz einbezieht, und zwar gegen Aderbrüche oder Isolations­ schäden, die unter der Ummantelung nicht erkennbar sind, aber den Schutz unwirksam machen.

Zwar fällt ein Aderbruch dadurch auf, daß das Gerät nicht in Be­ trieb genommen werden kann, über die unbeschädigte Ader kann aber trotzdem die Netzspannung gegen Erde an offenen Teilen des Gerätes, wie z. B. dem Heizelement eines Haartrockners, Heizlüfters o.dgl. liegen und zu Unfällen führen, zumal der Benutzer bei einem de­ fekten Gerät leichtgläubig annehmen wird, es sei völlig span­ nungslos.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, die keinen zusätzlichen Aufwand erfordert, ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Hierbei wird die Abschirmung als Signalleitung der Sonde verwendet. Diese Anordnung kann auch so betrachtet werden, als sei die Sonde über die Netzanschlußleitung hinweg bis zum Netzstecker verlängert.

Indem die Abschirmung der Netzanschlußleitung mit in den Schutz bzw. in dessen Überwachung einbezogen ist, ist ausgeschlossen, daß allein schon das unbeabsichtigte Eintauchen nur der Netz­ anschlußleitung eines Gerätes, wenn deren Isolation defekt ist, zu einem Stromschlag führen kann.

Schließlich kann auch die im Gerätegehäuse verlegte Sonde auf ihre Unversehrtheit überwacht werden, wenn gemäß Anspruch 3 die Ruhestromschleife über die Doppelleiter der Sonde geführt ist.

Dabei wird der Gesamtschutz erfindungsgemäß mit einer zweiadrigen, abgeschirmten Leitung erhalten, deren Abschirmung locker geschla­ gen sein kann, während die bekannten Lösungen eine vieradrige Leitung (zwei, stromführende Adern und zwei Signaladern) benötigen, die schwerer, weniger flexibel und teuer ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung in ihren Ausführungsmöglichkeiten und Vorteilen an einem optimalen Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert.

Die Zeichnung zeigt das Schaltbild der Schutzeinrichtung für ein elektrisch betriebenes Gerät 30 mit einem Gebläsemotor 37 und einem Heizregister 38, z. B. einem Haartrockner oder einem Heizlüfter, das über eine zweiadrige abgeschirmte Netzanschluß­ leitung 50 mit einem Netzstecker 60 verbunden ist, in dem die Bauelemente 6-20 der elektronischen Schaltung untergebracht sind.

Von den Kontaktstiften 1, 2 führen die steckerinternen Netzlei­ tungen 3 a, 4 a über die Schaltkontakte 3, 4 eines zweipoligen Schutzschalters 5 zu den Klemmen 24, 26, an die die Adern 21, 23 der Netzanschlußleitung 50 angeschlossen sind. Der Schutz­ schalter bildet in Reihe mit einer Diode 12, einem Widerstand 13 und einem Halbleiterschalter, einem Thyristor 14, eine Dia­ gonale (zwischen den Punkten A und C) eines Diodenquartetts 6-9. Der Widerstand 13 bildet mit dem parallel zum Thyristor geschal­ teten Kondensator 19 einen Schutz gegen dessen Über-Kopf-Zündung beim Einschalten der Verbraucher 37, 38 im Gerät 30. Das RC- Glied 15, 20, an dem die Steuerelektrode des Thyristors 14 liegt, dient als Schutz gegen kurzzeitige Netzstörungen. Zwischen die Steuerelektrode und Basis des Thyristors 14 (Punkt C) ist eine Transistorstufe 16, 17 geschaltet. Die Basis des Transistors ist über einen Widerstand 18 mit einer dritten Klemme 25 verbun­ den, an die die Abschirmung 22 der Netzanschlußleitung 50 ange­ schlossen ist.

Adern 21, 23 und Abschirmung 22 der Netzanschlußleitung sind im Gerät 30 an dessen Klemmen 31, 32, 33 angeschlossen. Von den Klemmen 31, 33 verläuft der Laststromkreis des Gerätes über die geräteinternen Netzleitungen 34, 35 und den Betriebsschalter 36, Motor 37 und Heizregister 38. Von der Klemme 32 führt eine Lei­ tung über die offene Doppelleitung 40, 41 der Sonde und einen zwischen diese geschalteten Widerstand 39 sowie einen hochohmigen Schutzwiderstand 42 an eine Verzweigung gegeneinandergeschalteter Dioden 10, 11, die zwischen die Netzleitungen 34, 35 geschaltet sind.

Man erkennt, daß die Dioden 8, 9 des Diodenquartetts im Stecker 60 mit den Dioden 10, 11 im Gerät ein zweites Diodenquartett bilden, in dessen Diagonale die Reihenschaltung aus Transistor 16 - Basiswiderstand 18 - Abschirmung 22 - Sondenleitung 40 - Widerstand 39 - Sondenleitung 41 - Schutzwiderstand 42 liegt. Insgesamt führt aus der elektronischen Schaltung im Netzstecker 60 über die Adern 21, 23 der Netzanschlußleitung 50 (je nach Phasenlage der Netzwechselspannung) das Diodenpaar 10, 11 im Gerät 30 und zurück über die Doppelleitung 40, 41 mit dem paral­ lel zu dieser liegenden Widerstand 39 und die Abschirmung 22 der Netzanschlußleitung zum Basiswiderstand 18 der als Emitter­ folger geschalteten Transistorstufe 16, 17 ein Ruhestromkreis zur Überwachung der gesamten Anordnung auf Funktionsfähigkeit. Die Diode 12 in der Diagonale des Diodenquartetts 6-9 sorgt dafür, daß an den Punkten A, B, C die wellige Gleichspannung gleiche Phasenlage (gleichzeitige Nulldurchgänge) hat.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende:

1. Sobald die Kontaktstifte 1, 2 des Steckers 60 in eine Netzsteck­ dose eingeführt sind, fließt ein geringer Ruhestrom von z. B. 10 µA aus der Abschirmung 22 über den Basiswiderstand 18 in die Basis des Transistors 16 und schaltet diesen ein. Der da­ durch in dem Kreis 15 - 16 - 17 zwischen den Punkten A und C auftretende Strom von z. B. 200 µA hält die Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors 14 unterhalb der Zündspannung (z. B. 0,6 V₌).

2. Wird der Ruhestromkreis in mindestens einer Halbwelle der Netz­ spannung unterbrochen durch einen Bruch mindestens einer Ader 21, 23 der Netzanschlußleitung 50, eine Unterbrechung ihrer Abschirmung 22 oder einen Anschlußfehler an den Klemmen 24 - 26, 31 - 33, so sperrt der Transistor 16, die Spannung an der Zünd­ elektrode des Thyristors 14 steigt über die Zündspannung (z. B. auf 1 V₌) an, der Thyristor schaltet die Diagonale A - C durch und der in dieser liegende Schutzschalter 5 wird durch den auf­ tretenden Strom schlagartig ausgelöst und öffnet seine Schalt­ kontakte 3, 4: Die gesamte Anordnung ist stromlos geschaltet.

Zweckmäßig ist der Schutzschalter so ausgebildet, daß seine Aus- Stellung irreversibel ist, so daß zunächst der Fehler beseitigt werden muß. Ein solcher Schalter ist z. B. in der Patenschrift EP-88 390 beschrieben.

3. Fällt die Impedanz der Sonde 40, 41 durch einen Wassereinbruch in das Gerät 30 stark ab, so steigt der Ruhestrom über eine vor­ gegebene obere Schwelle hinaus stark an und somit steigt der Strom in dem Kreis 16 - 17 so stark an, z. B. auf 700 µA, daß durch den Spannungsabfall am Widerstand 17 die Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors 14 wieder in den Zündbereich ansteigt und der Thyristor durch­ schaltet.

Der Thyristor zündet also und löst den Schutzschalter 5 aus, sobald der Strom in der Ruhestromschleife unter eine vorgegebene untere Schwelle absinkt oder über eine obere Schwelle ansteigt.

Folgende Schadensfälle führen zur Auslösung:

Unterbrechung der Schleife (Leitungsbruch oder Anschlußfehler)
der Schleifenstrom fällt unter die Schwelle des Ruhestro­ mes bis auf Null.

Der Schleifenstrom steigt über eine obere Schwelle an:
Kurzschluß einer Ader mit der Abschirmung (Isolationsfehler)
Erdschluß der Abschirmung (schadhafte Ummantelung)
Flüssigkeitskontakt (durch Wassereinbruch in das Gerät oder Eintauchen der schadhaften Anschlußleitung)

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung bestehen in ihren geringen Herstellkosten, ihrer hohen Eigensicherheit und in dem umfassenden Schutz der Benutzer von über eine beweg­ liche Netzanschlußleitung gespeisten Elektorgeräten in Haushalt und Werkstatt, insbesondere solchen, die in Naßzellen im Wohn­ bereich, in Badeanstalten, Krankenhäusern (z. B. Hydrotherapie) u. dgl. benutzt werden, und in ihrer Eignung für elektrisch aus­ lösbare Schutzschalter beliebiger Bauart. Dabei sind in dem abzusichernden Gerät nur die Sonde und deren Zuleitung vor­ zusehen. Die für deren Verbindung mit Adern und Abschirmung der Netzanschlußleitung erforderlichen Schaltelemente können auch in einer wasserdichten Einführungstülle der Leitung unter­ gebracht werden, so daß am Gerät nur vier Anschlußklemmen (je zwei für die Doppelleitung der Sonde und die Netzleitungen) erforderlich sind. Die elektronische Zündschaltung, die in Einzelheiten gegenüber dem Ausführungsbeispiel abgewandelt werden kann, mit dem Trennschalter läßt sich in einem Volumen von z. B. 20×20×10 mm unterbringen, so daß die Abmessungen des Netzsteckers nur weniger größer als üblich ausfallen.

Claims (8)

1. Elektrisch betriebenes, insbesondere tragbares Gerät mit beweg­ licher Netzanschlußleitung und im Netzstecker (oder einem Zwischenstecker) angeordneter elektronischer Schutzeinrichtung als Lecksicherung oder zum Schutz des Benutzers, bestehend aus

• a) einer Sonde im Gerät in Form eines bei dessen Handhabung nicht berührbaren offenen elektrischen Doppelleiters (40, 41), die bei Anwesenheit von Flüssigkeit ihren elek­ trischen Impedanzwert ändert,
• b) einer elektrischen Zündschaltung (6-20) im Netzstecker (60) mit einem Halbleiterschalter (14), an deren Eingang die von der Sonde über Netzanschlußleitung (50) ge­ führte Signalleitung liegt und die den Halbleiterschalter zündet, wenn sich der Impedanzwert der Sonde um einen vor­ gegebenen Betrag ändert,
• c) einem in den Netzleitungen (3 a, 4 a) des Netzsteckers lie­ genden mechanischen Schutzschalter (5), der am Ausgang der Zündschaltung liegt und mittels des beim Zünden des Halbleiterschalters (14) auftretenden Stromes ausgelöst wird,

gekennzeichnet durch

• d) eine zweiadrige Netzanschlußleitung (50) mit innerhalb ihrer Ummantelung liegender Abschirmung (22), die als Signalleitung von der Sonde zur Zündschaltung dient,

und dadurch gekennzeichnet, daß

• e) aus der Zündschaltung (6-20) im Netzstecker (60) über die Adern (21, 23) der Netzanschlußleitung (50) zum Ge­ rät (30) und in Reihe mit dem Doppelleiter (40, 41) der Sonde und mit der Abschirmung (22) der Netzanschlußlei­ tung zurück zum Netzstecker eine Ruhestromschleife gelegt ist, über die unabhängig vom Betriebszustand des Gerätes ein Gleichstrom fließt, der, solange sein Wert zwischen einer unteren und einer oberen Schwelle liegt, innerhalb der Zündschaltung den Halbleiterschalter (14) sperrt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhestromschleife geräteseitig über einen den Doppel­ leiter (40, 41) der Sonde überbrückenden hochohmigen Wider­ stand (39) und eine Verzweigung aus gegeneinander geschalteten Dioden (10, 11) an die geräteinternen Netzleitungen geführt ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhestromschleife über die Doppelleiter (40, 41) der Sonde geführt ist.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Diodenquartett (6-9), das zwischen die hinter den Kontakten (3, 4) des Schutzschalters (5) liegenden Netzlei­ tungen (3 a, 4 a) geschaltet ist und in dessen einer Diagonale ein dem Schutzschalter zugeordnetes elektrisches Auslöse­ element in Reihe mit der Parallelschaltung eines Thyristors (14) und eines Schutzkondensators (19) liegt, wobei die Zündelektrode des Thyristors in Reihe mit einer als Emitter­ folger geschalteten Transistorstufe (16-18) liegt, an deren Eingang die Abschirmung (22) der Netzanschlußleitung (50) an­ geschlossen ist.

5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Diagonalen zwischen dem Auslöseelement des Schutz­ schalters (5) und dem Thyristor (14) eine Diode (12) liegt.

6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Diagonalen ein Widerstand (15) in Reihe mit einem Kondensator (20) geschaltet ist, daß die Zündelektrode des Thyristors (14) zwischen Widerstand und Kondensator ge­ schaltet ist und daß über den Kondensator der Emitter-Kollek­ tor-Kreis des Transistors (16) geschaltet ist.