Als Anschlussstecker ausgebildetes FI-Schutzschaltgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein als Anschlußstecker ausgebildetes Fehlerstrom-Schutzschaltgerät. Ein solches Verbindungselement ist im Austausch gegen den gebräuchlichen Schutzkontaktstecker fest an der Zuleitung von Elektrogeräten angeschlossen, bei denen die Möglichkeit des Auftretens von gefährlichen Berührungsspannungen besonders hoch und es nicht unbedingt sichergestellt ist, daß das beanspruchte Leitungsnetz intakt und der benutzte Stromkreis innerhalb der stationären Hausinstallationsanlage entsprechend durch einen besonderen Fehlerstromschutzschalter abgesichert ist.

Derartig "geschützte" AnschluBstecker sind bereits bekannt. So enthält z.B. ein von der Anmelderin entwickeltes Steckverbindungselement zur Verwendung an der Zuleitung elektrisch betriebener Gartengeräte, Heimwerkermaschinen und Haushaltsgeräte einen in das erweiterte Steckergehäuse integrierten Differenzstrom-Schutzschalter, der das angeschlossene Gerät beim Auftreten von Fehlerströmen sofort zweipolig vom Versorgungsnetz abschaltet.

Bei der Benutzung einer solchen Schutzeinrichtung im Verbund mit dem Anschlußstecker kann jedoch nicht verhindert werden, daß nach Behebung irgendeines Defekts ein versehentlich eingeschaltet verbliebenes Elektrogerät der genannten Art, wie besonders ein Rasenmäher oder eine Handbohrmaschine, unbeaufsichtigt wieder anläuft und Schaden anrichtet. Um dieses mit Sicherheit zu vermeiden, hat man bereits die Elektrogeräte selbst mit einer Vorrichtung zur Unterspannungsauslösung versehen, die bei funktionswidrigem Absinken oder bei vollständigem Ausfall der Betriebsspannung nicht nur das angeschlossene Elektrogerät allpolig abschaltet, sondern auch dessen Wiederinbetriebnahme an die erneute Einschaltbetätigung bindet. Im Hinblick auf den hierfür erforderlichen Platzbedarf wurde eine solche Vorrichtung bislang nur vereinzelt unmittelbar in die diesbezüglich besonders anfälligen Elektrogeräte eingebaut.

Ein weiteres Sicherheitsproblem bei der Benutzung des in seinem Steckerbereich nur durch eine normale Fehlerstromschutzschaltung geschützten Elektrogeräts ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Bei einer vorschriftsgemäßen und intakten Hausinstallation bis zur Steckdose hin funktionieren diese hochempfindlichen Schutzschaltgeräte einwandfrei. Ist die betreffende Installation jedoch insofern fehlerhaft angelegt, als dabei der Schutzleiter PE mit dem Phasenleiter L verwechselt wurde, so liegt in diesem Fall die volle Netzspannung über den Schutzleiter PE am Gehäuse des intakten Elektrogeräts, ohne daß das in dessen Zuleitung eingeschleifte Schutzschaltgerät im Berührungsfall zweckentsprechend abschalten kann. Um einer solchen Fehlinstallation gegenüber dennoch einen Schutz zu gewährleisten, hat man in Betracht gezogen, den Schutzleiter PE ebenfalls zu überwachen und gemeinsam mit dem Phasenleiter L und dem Neutralleiter N abzuschalten. Dazu ist es erforderlich, auch den Schutzleiter PE durch den Summenstromwandler zu führen, damit beim Fließen eines Fehlerstroms über die berührende Person zur Erde die Auslösung überhaupt bewirkt werden kann. Diese Maßnahme erweist sich jedoch als wirkungslos, wenn z.B. ein defektes Bügeleisen auf einem geerdeten Kochherd oder ähnlichem abgestellt wird und dadurch ein Teilstrom direkt zur Erde abfließen kann. Dennoch liegt bei dem betreffenden Installationsfehler die volle Netzspannung solange am Gehäuse des intakten Elektrogeräts, bis durch das Berühren der Fehlerstrom durch den menschlichen Körper zum Fließen kommt. Dieser Vorgang kann bekanntlich zu tödlichen Sekundärunfällen führen.

Ein anderer Nachteil der bekannten Fehlerstromschutzschaltungen liegt in der Funktionsweise der dazugehörigen Prüfeinrichtung begründet. Bei dieser Einrichtung wird durch das Betätigen der Prüftaste ein künstlicher Fehlerstrom zwischen dem Phasenleiter L und dem Neutralleiter N bewirkt, der das Schutzschaltgerät auslöst. Insofern wird der Prüfstromkreis mit der Netzspannung betrieben und lediglich die Funktionsfähigkeit des Schutzschaltgeräts überprüft; nicht aber, ob die benutzte Installation überhaupt dazu imstande ist, der Schutzmaßnahme zu genügen. Die FI-Schutzschaltung ist jedoch eine Schutzleiter-Schutzmaßnahme. Da der Schutzleiter aber für den eigentlichen Betrieb der angeschlossenen Verbraucher nicht benötigt wird, kommt es in der Praxis häufig vor, daß dieser innerhalb der Anlage unterbrochen ist oder garnicht an einem Steckdosenanschluß zur Verfügung steht. Dann aber wird dem Benutzer der Anlage beim Betätigen der Prüftaste die einwandfreie Funktion des Schutzschalters an seinem Elektrogerät vorgetäuscht, obwohl in Wirklichkeit garkein vorschriftsmäßiger Schutz vorhanden ist.

Mithin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein als Anschlußetecker ausgebildetes Fehlerstrom-Schutzgerät nicht nur in sich zugleich mit einer Einrichtung zur Unterspannungsauslösung zu versehen, sondern diese Kombination darüber hinaus auch mit einer Prüfeinrichtung auszustatten, die es dem Benutzer ermöglicht, den ordnungsgemäßen Zustand der in Anspruoh genommenen Anlage selber zu überprüfen und damit zu seiner eigenen Sicherheit den vorschriftsmäßig gebotenen Schutzpegel weiter zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe legt die Erfindung ein als Anschlußstecker ausgebildetes FI-Schutzschaltgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 schaltungsmäßig dahingehend aus, daß die von den Stift- und Schutzkontakten des Steckers zu den Anschlußklemmen verlaufenden drei Leitungsadern allpolig von Hand durch einen Druckknopf schaltbar und gemeinsam, jedoch mit dem Schutzleiter in entgegengesetzter Richtung zu dem .Phasen- und dem Neutralleiter, durch einen Summenstromwandler, geführt sind, der über eine erste Sekundärwicklung zur Steuerung einer durch den Druckknopf voreilend an das Netz schaltbaren Elektronik für die Differenzstrom- und Unterspannungsauslösung mit elektromagnetischer Wirkung auf die Mechanik der Schaltkontaktanordnung verfügt und eine zweite Hilfswicklung aufweist, über welche der Schutzleiter anschlußseitig durch je einen Arbeitskontakt einer federbelasteten Prüftaste und eine vorgeschaltete Widerstandsanordnung zugleich mit dem Phasen- und dem Neutralleiter verbindbar ist.

Mit dieser Anordnung wird in vorteilhafter Weise zunächst folgendes erreicht: Nimmt man in einem Installationssystem mit klassischer Nullung als möglichen Anlagenfehler die Verwechslung von Phasen- und Schutzleiter an, so gelangt nicht nur die volle Netzspannung an das Gehäuse eines an sich intakten Elektrogeräts, ein vorhandener Schutzschalter kann diesen Fehler nicht erkennen und daher auch nicht auslösen. Wird dementgegen auch ein gesondert vorhandener Schutzleiter mit durch den Summenstromwandler geführt und hinzu gemeinsam mit dem Haupt- und dem Neutralleiter abgeschaltet, so ist eine Gefährdung des Benutzers zwar ausgeschlossen. Wird jedoch ein derartig geschütztes Elektrogerät an eine intakte Steckdose angeschlossen, so heben sich beim Auftreten eines Masseschlusses die durch die Phasen-, Neutral- und Schutzleiter zu- und abfließenden Ströme im Wandler gegeneinander auf, so daß eine Differenzstromauslösung nicht zustande kommen kann. Wenn dagegen der Schutzleiter erfindungsgemäß in entgegengesetzter Richtung zu dem Phasen- und dem Neutralleiter durch den Summenstromwandler geführt wird, dann erkennt das Schutzwchaltgerät auch einen solchen Fehlerstrom und leitet entsprechend die Auslösung ein.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schutzschaltgeräts ergibt sich unter folgendem Gesichtspunkt: Bei elektronisch gesteuerten Schutzeinrichtungen ist es von Nutzen, wenn im ausgeschalteten Zustand des überwachten Elektrogeräts auch die Schaltelemente der Elektronik stromlos werden, um einen unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden. Trotzdem ist es notwendig, daß bei einem Schutzschaltgerät nach Art der Erfindung, d.h. mit zusätzlicher Unterspannungsauslösung, für den Einschaltvorgang die Netzspannung bereits an dem elektromagnetischen Auslöseorgan liegen muß, um das Schutzschaltgerät überhaupt in Betrieb nehmen zu können. Hierzu ist eine Hilfskontaktanordnung erforderlich, welche die Elektronik im Ausschaltzustand abschaltet und sie beim Einschalten an Spannung legt, bevor die eigentliche Schaltkontaktanordnung des Schutzschaltgeräts geschlossen wird; und dies beim Ausschalten in der umgekehrten Reihenfolge. Der betreffende Vorgang wird gemäß der Erfindung von der Betätigungshandhabe des Schutzschaltgeräts übernommen, wozu diese als Druckknopf mit Doppelfunktion ausgebildet ist.

Die Prüfeinrichtung des Schutzschaltgeräts betreffend, wird diese vorteilhafterweise mit Kleinspannung (24 Volt) gegen den Schutzleiter betrieben. Demgemäß wird mit dem Betätigen der 2-poligen Prüftaste in einem Stromkreis zwischen dem Phasen- und dem Neutralleiter über einen Spannungsteiler mit Schutzwiderstand gegen den Schutzleiter in einer Hilfswicklung des Summenstromwandlers ein Fehlerstrom simuliert, der das Schutzschaltgerät kontrollweise nur bei intaktem Schutzleiter zur Auslösung bringt. Ist der Schutzleiter dagegen unterbrochen oder das Gerät selber defekt, so wird dies dem Benutzer durch Nichtauslösen des Schutzschaltgeräts angezeigt.

In dieser Kombination von Einzelmaßnahmen stellt die Erfindung ein Schutzschaltgerät vor, das den zu überwachenden Verbraucher in jedem vorkommenden Fehlerfall allpolig vom Versorgungsnetz trennt und somit auch den möglicherweise spannungsführenden Schutzleiter unterbricht. Außerdem ermöglicht es die besondere Prüfeinrichtung, zur gleichen Zeit die Wirksamkeit des Schutzschalters wie auch den ordnungsgemäßen Zustand der in Verbindung mit dem angeschlossenen Elektrogerät in Anspruch genommenen stationären Installationsanlage zu kontrollieren.

Die weiteren Merkmale des in Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindungsgegenstandes sind als vorteilhafte Ausbildungen desselben in den nachgeordneten Unteransprüchen 2 bis 12 erfaßt. Hierbei richten sich die Ansprüche 2 bis 4 auf die Form und Ausführung des als Anschlußstecker benutzten Schutzschaltgeräts und die Ansprüche 5 bis 10 auf dessen Einrichtungen in konstruktiv-mechanischer wie elektrischer Beziehung, während die Ansprüche 11 und 12 die anschlußmäßige Ausstattung des Geräts erfassen. Im einzelnen wie im Zusammenhangwirken wird auf diese Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung nochmals näher eingegangen.

In der anliegenden Zeichnung ist ein typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt:

• Fig. 1 den Stromlaufplan des Schutzschaltgeräts in vereinfachter Form;
• Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Gerät in der Ausschaltstellung;
• Fig. 3 die geschnittene Darstellung gemäß Fig. 2 in der Einschaltstellung; und
• Fig. 4 einen Querschnitt durch das Gerät bei abgenommener Gehäuse-Oberschale.
• Fig. 5 zeigt in teilweise geschnittener Darstellung eine Seitenansicht und die Draufsicht des innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses mit einer Schutzkontaktsteckdose zusammengestellten Geräts als montagemäßige Abdeckung für eine festinstalliert eingebaute Unterputz-Steckdose.

Wie aus dem Stromlaufplan nach Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht, verlaufen der Phasenleiter L, der Neutralleiter N und der Sehutaleiter PE jeweils von den beiden Steckerstiften 1 und dem Schutzkontaktbügel 2 des Anschlußsteckers im Inneren des Schutzschaltgeräts über die 3-polige Schaltkontaktanordnung 3 und durch den ringförmigen Summenstromwandler 4 zu den entsprechenden Anschlußklemmen 5 für das Zuleitungskabel eines Elektrogeräts. Hierbei ist der strichpunktiert eingezeichnete Schutzleiter in entgegengesetzter Richtung zu dem Phasen- und dem Neutralleiter durch den Summenstromwandler 4 geführt. Auf diese Weise"erzeugt auch bei einer fehlerhaften Verwechslung von Phasen- und Schutzleiter ein etwa auftretender Masseschluß einen Differenzstrom, den der Summenstromwandler 4 dann zur Auslösung weiterleitet. Die Schaltkontaktanordnung 3 läßt sich mit dem auf eine (hier nicht dargestellte) Schaltmechanik (6) wirkenden Druckknopf 7 von Hand betätigen und wird im Fehlerfall elektronisch gesteuert durch den (Unterspannungs-)Auslösemagneten 8 allpolig abgeschaltet. Dabei wird die eingebaute Elektronik 9 über einen Hilfskontakt 10 aus dem Netz mit Spannung versorgt, welcher mit dem Druckknopf 7 gekoppelt ist und dessen Schaltbewegung vor- bzw. nacheilend folgt. Gesteuert wird die Elektronik 9 aus der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers 4, wobei sich der Auslösemagnet 8 zuvor jedoch nur dann in seiner Einschaltposition halten kann, wenn die Netzspannung vorhanden ist. Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Schutzschaltgeräts ist die 2-polige Prüftaste 11 vorgesehen, durch deren Betätigung die einerseits mit dem Schutzleiter verbundene Hilfswicklung des Summenstromwandlers 4 andererseits über die Widerstandsanordnung 12 simultan an den Phasen- und an den Neutralleiter gelegt wird. Dadurch erstreckt sich der Prüfvorgang zur gleichen Zeit auch auf eine eventuelle Unterbrechung des Schutzleiters innerhalb der Hausinstallation.

Die Anordnung der Bauteile und Funktionselemente des Schutzschaltgeräts ist aus den Fig.n 2 bis 4 der Zeichnung ersiehtlich. Zur besseren Übersicht sind dabei die verwendeten Bezugsziffern auf die in der Wiedergabe sich entsprechenden Darstellungen der Fig.n 2 und 3 verteilt. Demgemäß nimmt der außenseitig mit den beiden Steckerstiften 1 und den Berührungskontakten des Schutzkontaktbügels 2 versehene (genormte) Einsteckteil des Geräts das nach Art eines Klappankerrelais' ausgebildete elektromagnetische Auslöseorgan 8 in sich auf. Dabei ist dessen Magnetjoch 13 leitend mit dem Schutzkontaktbügel 2 verbunden und im übergangsbereich zwischen Einsteckteil und Gehäuse mit einer Drehlagerstelle für den Klappanker 14 versehen, der sich seitlich in einen entgegen der Anzugrichtung federbelasteten Kontakt- und Kopplungsausleger 15 fortsetzt.

Das dem Einsteckteil formschlüssig angesetzte Gehäuse ist quergeteilt und gliedert sich in eine Unterschale 16, in der die mechanischen und elektrischen Bauelemente des Geräts untergebracht sind, während der damit verrastenden und/oder verschraubbaren Oberschale 17 (über die Lagerung der Prüftaste hinaus) nur eine Abdeckfunktion zukommt. Demgemäß sind innerhalb der dafür entsprechend ausgestalteten Unterschale 16 neben der über die druckknopfbetätigte Schaltmechanik 6 mit dem Auslösemagneten 8 zusammenwirkenden Schaltkontaktanordnung 3, in Längsrichtung aufeinander folgend, die auf einer gedruckten Leiterplatte zusammengefaßte Elektronik 9, der Summenstromwandler 4 und die vor der Zugentlastungseinrichtung 18 gelegenen Anschlußklemmen 5 für das Zuleitungskabel des Elektrogeräts angeordnet und schaltungsgemäß untereinander verdrahtet.

Der zur Betätigung des Schutzschaltgeräts vorgesehene Druckknopf 7 wirkt in bewegungsmäßig-zeitlicher Folge auf zwei gesonderte Kontakteinriohtungen (3, 10) und ist hierfür in sich zweiteilig ausgebildet. Insofern besteht er aus zwei koaxial ineinander sowie in Relation zu der Gehäuse-Unterschale 16 teleskopartig geführten Teilelementen, die untereinander sowie gegen einen Gehäuseanschlag mit Hilfe von Schraubendruckfedern unterschiedlicher Steifigkeit abgestützt sind. Aufgrund dessen hat die Betätigung des Druckknopfs 7 zunächst eine Relativbewegung des äußeren Teilelements zu dem inneren Teilelement zur Folge, wodurch die an der gedruckten Leiterplatte (9) angebrachte Kontaktanordnung 10 für die Stromversorgung der Elektronik 9 zur Vorbereitung des Einschalt- und Überwachungsvorgangs geschlossen wird. Danach bewirkt das weitere bzw. vollständige Eindrücken des Druckknopfs 7 die Mitnahme des inneren Teilelements im Hinblick auf die damit gekoppelte Schaltmechanik 6. Diese Mechanik 6 stellt sich im wesentlichen als eine durch das innere Teilelement des Druckknopfs 7 verstellbare Strebe (6) dar, die dabei vermittele eines Querstifts in einer Kulisse zweier Seitenstege der Unterschale 16 dreh- und verschiebbar geführt wird. Außerdem besitzt die Strebe 6 nach unten hin einen zylindrischen Ansatz, in dessen Längsschlitz der dreiarmige Isolierstoffhebel 19 als Kontaktträger drehbar gelagert ist und sich der Strebe 6 gegenüber vermittels der kegelstumpfförmigen Schaltfeder 20 abstützt. Dabei bewirkt diese Maßnahme, daß die nach der einen Seite hin an zwei Armen in den Isolierstoffhebel 19 eingenietete beweglichen Kontaktstücke (3) in Verbindung mit dem Phasen- und dem Neutralleiter, sowie das nach der anderen Seite hin an einem Arm angebrachte Kontaktstück (3) für den Schutzleiter, in 3-Punktauflage mit genügendem Kontaktdruck auf die entsprechend angeordneten festen Gegenkontaktstücke (21) treffen. Diesbezüglich werden die beiden Festkontaktstücke 21 für den Phasen- und den Neutralleiter zweckmäßigerweise auf dem Spulenkörper des Auslösemagneten 8 positioniert und in geeigneter Form mit der gedruckten Leiterplatte (9) wie mit den.außengelegenen Stekkerstiften 1 verbunden. Demgegenüber wird das dritte Festkontaktstück für den Schutzleiter von dem Kontakt- und Kopplungsausleger 15 des Klappankers 14 gebildet, der seinerseits über das Magnetjoch 13 des Auslösemagneten 8 elektrisch leitend mit dem Schutzkontaktbügel 2 am Einsteckteil des Geräts in Verbindung steht. Des weiteren besteht zwischen dem vorgenannten Ausleger 15 und dem Isolierstoffhebel 19 eine.mechanische Kopplung durch den an der Schalenwandung verschiebbar geführten Mitnehmer 22. Damit wird im Fall einer Auslösung oder bei Nichteinschaltbarkeit des Geräts erreicht, daß der die vorhandenen Kontaktstrecken unter Wirkung der Schaltfeder 20 öffnende Isolierstoffhebel 19 den (seinerseits schwächer) federbelasteten Klappanker 14 schon wieder vorbereitend an den Magnetkern des Auslösemagneten 8 anlegt.

Für die bedienungsseitige Ausbildung der Prüfeinrichtung des Geräts ist aus Fig. 4 der Zeichnung ersichtlich, daß durch eine kurzzeitige Druckbetätigung der die Oberschale 17 des Gehäuses gegen die Kraft einer Druckfeder durchgreifenden Prüftaste 11 vermittels der von dieser getragenen Schleifkontaktstücke 23 an beiden Seiten der gedruckten Leiterplatte (9) die entsprechend in den Prüfstromkreis einbezogenen Festkontaktstrecken überbrückt werden, um das Gerät kontrollweise zur Auslösung zu bringen.

Die nach dem Ausführungsbeispiel gewählten Steck- und Anschlußvorkehrungen (1, 2 und 5) betreffend, läßt sich das Gerät an Stelle des Schutzkontaktsteckers und/oder der Klemmvorrichtung für das anzuschließende Elektrogerät ebenso zweckgebunden und ohne besondere Hinweise z.B. auch mit der dreipoligen Steckerausführung und Rund- oder Flachstiften eines anderen Steckverbindungssystems versehen sowie an Stelle eines Leitungsanschlusses nach Art eines Zwischensteckers oder eines Adapters mit einer in die Gehäuseform des Schutzschaltgeräts einbezogenen Steckdose ausrüsten.

In dieser generellen Form und Ausbildung stellt sich der Gegenstand der Erfindung in fortschrittlicher Weise nicht nur als Ersatz für einen normalen Anschlußstecker dar, der es ermöglicht, das betreffende Elektrogerät und dessen Benutzer in einem bisher nicht erreichten Ausmaß gegen Gefährdung und Defekte im Bereich der benutzten Einrichtungen abzusichern. Desgleichen ergibt sich aufgrund der gedrängten Raumform, der verfügbaren Anschlußvorkehrungen und der beschriebenen Funktionen des Schutzschaltgeräts die vorteilhafte Möglichkeit, das an und für sich steckbare Gerät zusammen mit einer gesonderten Schutzkontaktsteckdose in ein etwa doppelt so groß dimensioniertes Aufputzgehäuse einzusetzen, wie dies in Fig. 5 der Zeichnung zur Darstellung gelangt, und die beiden Elemente gleich bei der Herstellung fertig miteinander zu verdrahten. Damit läßt sich diese Anordnung nach dem Entfernen der gebräuchlichen Außenabdeckung einer festinstallierten Schutzkontaktsteckdose in deren Steckdoseneinsatz einstecken und außerdem sicherheitshalber mit dem Aufputzgehäuse an der Wand befestigen, ohne daß es dazu besonderer Fertigkeit bedarf und hierbei die Herstellung irgendeiner elektrischen Verbindung erforderlich ist. Hinzu kann die angesetzte Steckdose gegenüber Feuchtigkeit mit einem Klappdeckelverschluß versehen sein. Auf diese Weise erreicht man auch in äußerst gefährdeten Räumen, wie z.B. Badezimmern u.dgl., für den Anschluß von Elektrogeräten im nachhinein einen erheblich höheren Schutzpegel als mit den bisher zu diesem Zweck bekanntgewordenen Einrichtungen; insbesondere dann, wenn die vorhandene Hausinstallation oder die festverlegten Leitungen den zentralen Einsatz des vorgeschriebenen Fehlerstromschutzschalters verwehren.