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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Treiberschaltkreis
für einen
bistabilen Aktuator, welcher durch piezoelektrische Elemente betätigt wird,
besonders geeignet für
die Verwendung in Fehlerstromvorrichtungen, wie z.B. Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrechern;
der elektronische Treiberschaltkreis gemäß der Erfindung wird im Einzelnen
mit Bezug auf einen Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrecher
beschrieben werden, ohne dabei zu beabsichtigen, den Bereich der
Anmeldung zu beschränken.
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Es
ist bekannt, dass ein Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrecher ein automatischer
Schaltkreisunterbrecher für
Wechselstromschaltkreise ist, welcher sich öffnet, wenn die Vektorsumme
der Ströme
in den Leitern des Schaltkreises, welche unter normalen Bedingungen
Null ist, einen vorgegebenen Wert überschreitet.
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Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrecher
sind dazu bestimmt, metallische Teile davor zu schützen, wie
z.B. Gehäuse
von Geräten
und metallischen Massen des geschützten Bereiches, welche mit
einem Erdungssystem von geeignetem Widerstand verbunden sind, unter
Strom gesetzt zu werden ("indirekter
Schutz") und, falls
genügend
empfindlich und schnell agierend, können unter bestimmten Bedingungen
ebenso Schutz gegen Kontakte mit Teilen bereitstellen, welche normalerweise
unter Spannung stehen ("direkter
Schutz").
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Die
Haupteigenschaft von Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrechern ist, dass
sie extrem kurze Schaltkreisöffnungs-
und Schließzeiten
erzielen.
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Ein
Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrecher ist schematisch in 1 dargestellt.
Der Schaltkreisunterbrecher umfasst einen Stromsensor 1 zur
Detektion eines differenziellen Fehlerstroms, welcher im Allgemeinen
aufgebaut ist aus einem toroi dalen Kern, der aus magnetischem Material
hergestellt ist, durch welchen, um die Primärwindungen eines Hochspannungstransformators
aufzubauen, der Nullleiter 2 und die Phase 3 einer
elektrischen Leitung durchtreten, welche dann mit einem System mit
seinen Lasten verbunden sind, bezeichnet durch das Bezugszeichen 10,
und aus einer sekundären
Windung 4, über
welche eine Spannung erzeugt wird, wenn der Fehlerstrom vorliegt.
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Ein
elektronischer Kopplungsschaltkreis 5 ist zwischen dem
Stromsensor 1 und dem Aktuator 6 gegenwärtig, wird
mit der Spannung versorgt, die über
die zweite Windung 4 erzeugt wird, und treibt einen Freigabe-
und Ausrückmechanismus 7 zum Öffnen der
Kontakte 8 und 9 des Schaltkreises, falls ein Erdfehlerstrom
vorliegt.
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Herkömmliche
Aktuatoren, welche in Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrechern verwendet
werden, sind von elektromagnetischer Bauart (elektromagnetische
Relais der Demagnetisierungsbauart) und haben folgende Nachteile:
- – Sie
sind empfindlich für
Magnetfelder und dies verändert
ihren Betrieb. Zum Beispiel kann die Anwesenheit von externen magnetischen
Feldern nicht gewünschte
und nicht gewährleistete
Betätigung
des Aktuators erzeugen. Ein externes magnetisches Feld könnte ebenso
die Magnetisierung des elektromagnetischen Relais verändern, demgemäss die Sensitivität des Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrechers;
- – sie
sind empfindlich für
Aufschläge
und Vibrationen;
- – sie
haben eine komplizierte mechanische Konstruktion;
- – sie
haben hohe Kosten.
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Um
all diese Nachteile zu vermeiden, wurden bistabile Aktuatoren, welche
durch piezoelektrische Elemente betätigt werden, studiert, aber
sie müssen mit
einem Spannungsimpuls angeregt werden, welcher spezifische Eigenschaften
in Bezug auf die Amplitude und die Anstiegszeit aufweist, welche
wesentlich verschieden sind von jenen eines Impulses, der durch
elektronische Vorrichtungen bereitgestellt wird, die den Sensor
und den Aktuator koppeln, welcher normalerweise mit elektromagnetischen
Relais verwendet wird.
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Ferner
wandeln herkömmliche
Treiberschaltkreise, die mit herkömmlichen Aktuatoren verbunden sind,
verfügbare
Energie, die durch die sekundäre Windung
des Stromsensors 1 eingekoppelt wird, hauptsächlich in
Bezug auf Strom um, nicht in Bezug auf Spannung, wie dies von piezoelektrischem
Element-betätigte
Aktuatoren benötigt
wird.
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US 3 535 590 offenbart eine
elektrische Schutzvorrichtung und insbesondere eine Vorrichtung
zum Schutz von elektrischen Schaltkreisen gegen Erdfehlerströme.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektronischen Treiberschaltkreis
für einen
bistabilen Aktuator bereitzustellen, welcher durch piezoelektrische
Elemente betätigt
wird, speziell für
Fehlerstromvorrichtungen, welcher es gestattet, einen Spannungsimpuls
zur Verfügung
zu stellen, dessen Eigenschaften in Bezug auf Amplitude und Anstiegszeit
an die Verwendung von piezoelektrischen Aktuatoren angepasst sind.
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Innerhalb
des Bereichs dieses Zweckes ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen elektronischen Treiberschaltkreis für einen
bistabilen Aktuator bereitzustellen, der durch piezoelektrische Elemente
aktiviert wird, welcher es gestattet, die minimale Energie, die
durch einen Stromsensor eines Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrechers bereitgestellt ist,
zu verwenden, um sie in einen Spannungsimpuls umzuformen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektronischen
Treiberschaltkreis für
einen bistabilen Aktuator, der durch piezoelektrische Elemente angetrieben
wird, bereitzustellen, welcher im Wesentlichen nicht empfindlich
für magnetische Felder
ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektronischen
Treiberschaltkreis für
einen bistabilen Aktuator, welcher durch piezoelektrische Elemente
betätigt
wird, bereitzustellen, welcher speziell angepasst ist an Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrecher
und demgemäss
eine kurze Reaktionszeit erzielt.
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Nicht
die letzte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektronischen
Schaltkreisunterbrecher für
einen bistabilen Aktuator, der durch piezoelektrische Elemente angetrieben
wird, bereitzustellen, welcher hochzuverlässig ist, relativ einfach bereitzustellen
und zu wettbewerbsfähigen
Kosten.
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Dieser
Zweck, diese Aufgaben und andere, welche im Folgenden zu Tage treten,
werden durch einen elektronischen Treiberschaltkreis für einen
bistabilen Aktuator erzielt, wie beansprucht in Anspruch 1. Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung von bevorzugten, aber nicht ausschließlichen
Ausgestaltungen eines elektronischen Schaltkreises gemäß der Erfindung
zu Tage treten, lediglich als nicht beschränkendes Beispiel in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht, worin:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm eines herkömmlichen Schaltkreisunterbrechers
zeigt;
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2 ein
allgemeines Blockdiagramm eines elektronischen Treiberschaltkreises
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 eine
Ansicht einer ersten Ausgestaltung des elektronischen Treiberschaltkreises
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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4 eine
Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
des elektronischen Treiberschaltkreises gemäß der Erfindung zeigt;
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5 eine
Ansicht des dritten Ausführungsbeispiel
des Treiberschaltkreises gemäß der Erfindung
zeigt;
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6 eine
Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels
des elektronischen Treiberschaltkreises gemäß der Erfindung zeigt;
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7 eine
Ansicht eines fünften
Ausführungsbeispiels
des elektronischen Treiberschaltkreises gemäß der Erfindung zeigt; und
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8 eine
Ansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels
des elektronischen Treiberschaltkreises gemäß der Erfindung zeigt.
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Mit
Bezug auf 2 bis 8 umfasst
der elektronische Treiberschaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung,
beispielhaft als Blockdiagramm in 2 veranschaulicht
und bezeichnet durch Bezugszeichen 15, Hochspannungsmittel 16,
welche eingangsverbunden sind mit der sekundären Windung des Stromsensors 1 und
ausgangsverbunden sind mit Schwellwert-Setzmitteln 17,
welche dazu geeignet sind, einen Einschreitspannungsschwellwert zu
setzen, welcher proportional ist zu einem nominalen Wert des Fehlerstroms,
an welchem die Fehlerstromvorrichtung, z.B. der Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrecher
einschreiten soll.
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Ein
bistabiler piezoelektrischer Aktuator ist ausgangsverbunden mit
dem Schwellwert-Setzmittel 17; z.B. kann der Aktuator 6,
nicht im Einzelnen in den Figuren gezeigt, ein im Wesentlichen rechtwinkliges
metallisches Plättchen
aufweisen. Zwei Lagen von piezoelektrischem Material sind auf gegenüberliegenden
Seiten eines Endes des Plättchens
angeordnet und sind im Wesentlichen parallel zueinander positioniert
in einer bimorphen Konfiguration mit dem zwischen ihnen eingefügten metallischen
Plättchen. Der
Aktuator 6 ist in einer vorgeladenen Konfiguration positioniert,
welcher einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition entspricht.
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Eine
detaillierte Beschreibung eines bistabilen Aktuators ist in der
italienischen Patentanmeldung Nr. MI98A002829 veranschaulicht, deren
Beschreibung hierin als Referenz enthalten verstanden werden soll.
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Der
schaltende Schaltkreis 18 wird bereitgestellt, um den elektrischen
Stromkreis über
den piezoelektrischen Aktuator 6 unter der Steuerung der oben
beschriebenen Schwellwert-Setzmittel 17 zu schließen. Eine
erste Ausgestaltung des elek tronischen Schaltkreises gemäß der Erfindung
ist in 3 gezeigt, in welcher die Hochspannungsmittel 16,
die dazu geeignet sind, eine Spannung hoch zu transformieren und
zu speichern, welche durch die sekundäre Windung des Sensors 1 zur
Verfügung gestellt
wird, umfasst einen Kondensator 20, zwei Dioden 21 und 22 und
zwei weitere Kondensatoren 23 und 24.
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Die
Schwellwert-Setzmittel 17 umfassen in dieser Ausgestaltung
einen Spannungsanstiegsableiter 25, welcher, wenn einmal
der Schwellwert erreichen wurde, einen Startimpuls zur Verfügung stellt, welcher
geeignet durch Widerstände 26 und 27 beschränkt wird
und durch eine Diode 28 an den nachfolgenden Schalter 18 übertragen
wird, welcher in diesem Fall mittels eines bipolaren Transistors
zur Verfügung
gestellt wird.
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Der
Transistor schaltet deswegen ein und agiert als Schalter und demgemäss schließt den Schaltkreis
des piezoelektrischen Aktuators 6, so dass der erforderliche
Spannungsimpuls über
ihn vorliegt.
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Der
Schwellwert wird bestimmt durch die Spezifikationen des Spannungsanstiegsableiters 25.
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Eine
zweite Ausgestaltung des Schaltkreises gemäß der Erfindung wird in 4 gezeigt,
in welcher die Spannungshochtransformiermittel 16 ähnlich sind
zu jenen, die in 3 gezeigt sind, wobei die Schwellwert-Setzmittel 17 einen
Unijunction-Transistor 30 aufweisen, dessen Einschreitspannungsgrenze
durch einen Kondensator 31 und durch Widerstände 32, 33 und 34 gesetzt
wird.
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Der
Schalter 38 ist in diesem Fall durch einen MOSFET bereitgestellt,
welcher einschaltet, wenn der Unijunction-Transistor 30,
nachdem die vorgegebenen Schwellwertbedingungen erreicht wurden,
ihn mit einem Startimpuls versorgt, indem er als Schalter arbeitet,
d.h. den Schaltkreis des piezoelektrischen Aktuators schließt, so dass
der benötigte
Spannungsimpuls über
ihn vorliegt.
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Eine
dritte Ausgestaltung eines Schaltkreises gemäß der Erfindung wird in 5 gezeigt,
in welcher die Hochspannungsmittel 16 ähnlich zu denjenigen sind,
die oben beschrieben wurden, wobei die Schwellwert-Setzmittel 17 einen
Spannungsdetektor 40 aufweisen, der ebenso als Kleinleistungs-Unterspannungsdetektionsschaltkreis
bekannt ist, dessen Einschreitschwelle durch einen Teiler gesetzt
wird, welcher einen Kondensator 41 und einen Widerstand 42 aufweist.
Der Schaltblock wird wie im zweiten Ausführungsbeispiel durch einen
MOSFET-Transistor 38 bereitgestellt, welcher einschaltet, wenn
der Spannungsdetektor 40, nachdem die vorgegebenen Grenzwertbedingungen
erreicht wurden, ihn mit einem Startimpuls versorgt, und dabei als Schalter
arbeitet, d.h. den Schaltkreis des piezoelektrischen Aktuators schließt, so dass
der benötigte Spannungsimpuls über ihn
vorliegt.
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Eine
vierte Ausgestaltung des elektronischen Schaltkreises gemäß der Erfindung
wird in 6 gezeigt, in welcher die Hochspannungsmittel 16 ähnlich zu
jenen sind, die zuvor veranschaulicht wurden. Die Schwellwert-Setzmittel 17 werden
in diesem Fall mittels eines resistiven/kapazitiven Teilers bereitgestellt,
der aufgebaut ist durch einen Widerstand 50 in Reihe geschaltet
mit einem Kondensator 51.
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Die
Schaltmittel der vorangehenden Ausgestaltungen werden in diesem
Fall durch ein elektrostatisches Relais 52 bevorzugt ein
Silizium-Feinstzerspannungsrelais bereitgestellt, dessen Kontakt sich
in Folge der elektrostatischen Kraft schließt, die erzeugt wird, wenn
die Spannung an den Steueranschluss des Schalters angelegt wird.
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Wenn
sich das elektrostatische Relais schließt, wird die Energie, die sich
im vorangegangenen Block 16 angesammelt hat, an den piezoelektrischen
Aktuator 6 übergeben.
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Der
Vorteil, der durch das elektrostatische Relais 52 angeboten
wird, beruht darin, dass es eine sehr niedrige Antriebsenergie benötigt, um
einen geschlossenen Zustand einzunehmen, und dass dies eine sehr
hohe Impedanz des Steueranschlusses nach sich zieht; ferner hat
es sehr schnelle Schaltzeiten zwischen Schließen und Öffnen, viel kürzer als
1 ms und dies erlaubt es, das Streuen von Energie zu vermeiden,
die vom Stromsensor 1 eintrifft. Weil diese Energie sehr
niedrig ist, ist es wichtig, in der Lage zu sein, genügend davon
zu konservieren, um den Aktuator 6 auszulösen.
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Die
Schwellwertspannung, die durch die Schwellwert-Setzmittel bereitgestellt
wird, kann geeignet justiert werden durch Auswahl der Eigenschaften
des Widerstandes 50 und des Kondensators 51.
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Eine
fünfte
Ausgestaltung des elektronischen Schaltkreises gemäß der Erfindung
ist in 7 gezeigt, in welcher die Hochspannungsmittel 16 einen
Kondensator 53, eine Diodenbrücke 54 und einen Kondensator 55 umfassen,
welcher am Ausgang der Diodenbrücke 54 angeordnet
ist. Die Treiberspannung, die durch den Aktuator 6 verwendet werden
soll, wird durch eine Spule 58 hochgespannt, wie nachfolgend
beschrieben.
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Die
Schwellwert-Setzmittel 17 können mittels irgendeiner der
Vorrichtungen, die in den vorangegangenen Ausführungsformen beschrieben wurden,
bereitgestellt werden; 7 veranschaulicht beispielsweise
die Ausgestaltung, welche den Spannungsdetektor 56 verwendet,
der ebenso als Unterspannungssensorschaltkreis bekannt ist, dessen Einschreitschwellwert
durch den Kondensator 61 und den Widerstand 57 auf
einen Spannungswert gesetzt wird, der vorteilhafterweise niedriger
ist als jener anderer Ausgestaltungen.
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Dies
ist wegen des Vorhandenseins der Induktivität 58 möglich, welche
wiederum Energie in der Gegenwart eines Fehlerstromes akkumuliert
und deswegen eine Spannung auf der sekundären Windung des Sensors 1,
wenn der Schaltblock 59 (ähnlich die Schaltmittel 18 und 38 der
vorangegangenen Ausgestaltungen) wiederum aufgebaut durch einen MOSFET,
zum Schließen
veranlasst wird und dann die Energie in Richtung des Aktuators 6 über die
Diode 60 überträgt, wenn
der MOSFET 59 plötzlich wieder öffnet.
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8 zeigt
eine Ansicht einer sechsten Ausgestaltung des elektronischen Schaltkreises
gemäß der vorliegenden
Erfindung. In dieser Ausgestaltung umfassen die Schwellwert-Setzmittel 17 einen
ersten Transistor 209, in welchem ein erster Kondensator 208 mit
dem Kollektoranschluss verbunden ist und ein erster Widerstand 210 ist
mit dem Emitteranschluss verbunden. Eine Zenerdiode 212 ist
parallel mit dem Transistor 209 verbunden, dessen Basisanschluss
mit dem Kollektoranschluss des zweiten Transistors 205 verbunden
ist, dessen Kollektoranschluss und Emitteranschluss jeweils mit
einem zweiten Widerstand 206 und einem dritten Widerstand 204 verbunden
sind.
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Ein
vierter Widerstand 211 ist mit dem Kathodenanschluss der
Zenerdiode 212 verbunden.
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Der
gemeinsame Knoten der Anode, der Zenerdiode 212, des ersten
Widerstandes 210 und des zweiten Widerstandes 206,
ist mit einem fünften
Widerstand 213 verbunden, welcher mir einem ersten Anschluss
der Diodenbrücke
in Eingabe der Grenzwert-Setzmittel verbunden ist.
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Der
gemeinsame Knoten des ersten Kondensators 208, des vierten
Widerstandes 211 und des dritten Widerstandes 204 ist
mit einem zweiten Anschluss der Diodenbrücke verbunden.
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Ein
zusätzlicher
Transistor 202 ist zwischen einem fünften Widerstand 201 und
dem ersten Anschluss der Diodenbrücke verbunden, ein zweiter Kondensator 203 ist
mit dem Transistor 202 und einem sechsten Widerstand 207 verbunden
und ein Schalter ist mit einem gemeinsamen Knoten zwischen dem fünften Widerstand
und dem sechsten Widerstand verbunden.
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Die
Grenzwert-Setzmittel müssen
so voreingestellt werden, dass sie dem nachfolgenden Schaltblock
einen hinreichend kurzen Steuerimpuls bereitstellen, dessen Eigenschaften
auf der Basis der Induktivität
der Spule 58 gewählt
werden und der ihn dazu veranlasst, schnell zu schließen und
zu öffnen.
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In
der Praxis transformiert der elektronische Schaltkreis gemäß der Erfindung
in seinen verschiedenen Ausgestaltungen die Spannung hoch, die über den
Sensor 1 detektiert wird, welche proportional zu dem Fehlerstrom
ist, der zwischen den Phasen der Leitung vorliegt. Die Schwellwert-Setzmittel 17 bestimmen
stattdessen den Einschreitungsschwellwert, welcher proportional
zum Nominalwert des Fehlerstroms ist, an welchem die Vorrichtung
einschreiten soll, d.h. an welcher der Aktuator 6 betätigt werden soll.
In diesem Fall werden die piezoelektrischen Elemente mit einem elektrischen
Signal versorgt, was ihre Verformung veranlasst, folglich verbiegt
sich der Abschnitt des metallischen Plättchens, auf welchem die piezoelektrischen
Elemente befestigt sind. Auf diese Art und Weise wird das Plättchen unstabil
und schnappt in eine zweite stabile Position; während dieser Bewegung produziert
das Plättchen
z.B. die Betätigung
eines Stiftes, an welchem die Freigabevorrichtung eines Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrechers betreibbar
verbunden sein kann.
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In
der Praxis wurde es beobachtet, dass ein elektronischer Schaltkreis
gemäß der Erfindung
vollständig
das beabsichtigte Ziel und die Aufgaben ereicht, weil er es gestattet,
extrem kurze Betätigungszeiten
des piezoelektrischen Aktuators zu erreichen, um ihn zu betätigen, wenn
eine Versorgungsspannung vorgegebene Grenzwerte erreicht. Der Schaltkreis
gemäß der Erfindung
hat weiter die Eigenschaft, selbst energieversorgt durch die Spannung
zu sein, die vom Stromsensor ankommt und benötigt deswegen keine zusätzliche
Energieversorgung. Ferner sollte angemerkt werden, dass der elektronische
Treiberschaltkreis gemäß der Erfindung
besonders geeignet für
die Verwendung in einem Fehlerstrom-Schaltkreisunterbrecher ist, wie zuvor
beschrieben, oder in einem Fehlerstromblock, d.h. einem Block, welcher
allgemein mit einem thermomagnetischen Schaltkreisunterbrecher gekoppelt
ist. Alternativ dazu kann er in anderen Arten von Schaltkreisunterbrechern
oder Unterbrechungsvorrichtungen verwendet werden, ebenso in allen
anderen Arten, die einen bistabilen piezoelektrischen Betätiger verwenden.