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Zeitschalteinrichtung für das Überbrücken von Impulspausen zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Impulsen, insbesondere in Rottenwarnanlagen des Eisenbahnsicherungswesens
Die Erfindung betrifft eine Zeitschalteinrichtung für das Überbrücken von Impulspausen
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen, insbesondere in Rottenwarnanlagen des
Eisenbahnsicherungswesens, bei der mit dem ersten Impuls eines Impulsprogramms ein
Kennzeichen ausgelöst wird und dieses Kennzeichen mittels einer Widerstand-Kondensator-Kombination
eine bestimmte Zeit aufrechterhalten wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, über die Zeitdauer eines
Impulsprogramms, das aus beliebig vielen Impulsen bestehen kann, ein gleichbleibendes
Kennzeichen zu erzeugen. Hierbei soll die Erkennung des Impulsprogrammanfangs möglichst
schnell erfolgen, und diese Erkennung muß über die Impulspausen aufrechterhalten
werden. Da weiterhin die Impulsdauer sowie die Impulspausen sich in weiten Grenzen
verändern können, wird einerseits eine Mindestimpulsdauer, bei der die Zeitschalteinrichtung
zum Wirken kommen soll, festgelegt und andererseits der Einrichtung eine solche
Verzögerungszeit zugeordnet, die die größtmögliche Impulspause in einem Impulstelegramm
überbrücken muß. Da die Impulsdauer und die Impulsfolge sich beliebig verändern
können, muß die der Zeitschalteinrichtung zugeordnete Verzögerungszeit bei jedem
Impuls wieder voll wirksam werden.
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Diese Aufgabe muß insbesondere bei Rottenwarneinrichtungen im Eisenbahnsicherungswesen,
bei denen das Nahen eines Zuges durch elektronische Schienenkontakte angezeigt wird,
gelöst werden. Hierbei löst die Rottenwarneinrichtung sofort bei der Beeinflussung
ihrer zugehörigen elektronischen Schienenkontakte durch das erste Rad des Zuges
Alarm aus, und erst nach der Einwirkung des letzten Rades darf die Rottenwarneinrichtung
wieder selbsttätig in Grundstellung gehen. In diesem Fall ist es also nicht erforderlich,
daß in der Rottenwarneinrichtung die Achsen des einwirkenden Zuges gezählt werden,
sondern es genügt, daß die erste Achse den Alarm auslöst und die letzte Achse die
Einrichtung in Grundstellung zurückstellt. Durch die verschiedenen Geschwindigkeiten
der Züge können einerseits die von den elektronischen Schienenkontakten in Abhängigkeit
von den einwirkenden Rädern abgegebenen Impulse sehr kurz sein, z. B. 1/2 Millisekunde,
und andererseits können unter Voraussetzung einer Mindestgeschwindigkeit des Zuges
die Impulspausen zwischen den einzelnen Achsimpulsen in Abhängigkeit der aufeinanderfolgenden
Achsabstände sehr groß sein, z. B. 5 Sekunden.
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Bei der speziellen Verwendung der Zeitschalteinrichtung in Rottenwarnanlagen
ist noch folgendes zu berücksichtigen: Durch die konstruktive Ausbildung der Fahrzeuge
sowie des am Gleis angeordneten elektronischen Impulsgebers ergibt sich ein ganz
bestimmtes Tastverhältnis des Impulstelegramms, d. h. die Impulsdauer, bestimmt
durch die räumliche Ausdehnung der Wirkzone des Impulsgebers, zur Pausendauer, bestimmt
durch den kleinsten und den größten aufeinanderfolgenden Achsabstand. Dieses Tastverhältnis
kann im ungünstigsten Fall 1 :100 betragen, und zwar unabhängig von der Geschwindigkeit
des Fahrzeuges. Demgegenüber kann das Verhältnis zwischen kürzester Impulsdauer
und der vorbestimmten Verzögerungszeit der Einrichtung Werte von 1 : 1000 und darüber
annehmen.
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Die Erfindung löst die speziellen, bei Rottenwarnanlagen auftretenden
Gegebenheiten und die damit verbundenen Schwierigkeiten der vorgenannten Aufgabe
in einer Zeitschalteinrichtung in einfacher Weise dadurch, daß erfindungsgemäß die
Zeitschalteinrichtung aus einem Schwellwertschalter mit einem vorgeschalteten Zeitglied
besteht und daß im Anschaltstromkreis des dem Zeitglied zugeordneten Kondensators
ein abhängig vom Schaltzustand des Schwellwertschalters gesteuertes Schaltmittel
angeordnet ist.
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In vielen Fällen sind der Zeitschalteinrichtung elektromechanische
Schaltmittel zugeordnet, deren Ansprechzeit so lang ist, daß während der Beeinfiussung
der Schalteinrichtung durch den Anfangsimpuls einer Impulsfolge die elektromechanischen
Schaltmittel nicht in Wirkstellung gebracht werden. Um die elektromechanischen Schaltmittel
sicher zum Ansprechen zu bringen, wird in Ausgestaltung der Erfindung im Anschaltstromkreis
des dem Zeitglied
zugeordneten Kondensators ein elektronischer
Schalter angeordnet, der in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Schwellwertschalters
gesteuert wird.
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Um sicherzustellen, daß das elektromechanische Schaltmittel über das
gesamte Impulsprogramm hinweg sicher in Wirkstellung verbleibt, indem die Verzögerungszeit
des der Zeitschalteinrichtung zu-
Anliegen eines Impulses an dem Eingang des Zeitgliedes durchlässig geschaltet.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der F i g. 1 bis 5 beispielsweise
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Impulsprogramm z. B. mit fünf Impulsen, deren Impulsdauer
t1 bis t5 betragen möge, und die dazugehörigen Impulspausen mit den Zeiten
P1 bis P4. Anschließend an den Puls ist ein Anfangsimpuls einer weiteren Impulsfolge
dargestellt, der nach der Zeit P5 auftreten möge; F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild,
mit dem die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe im Prinzip zu lösen ist; F i
g. 3 a bis 3 c und 4 zeigen schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Zeitschalteinrichtung,
und F i g. 5 stellt ein ausführliches Schaltungsbeispiel der Erfindung dar.
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Die in F i g. 2 dargestellte Zeitschalteinrichtung besteht im wesentlichen
aus einem Schwellwertschalter S und einem vorgeschalteten Zeitglied Z. In Grundstellung
der Zeitschalteinrichtung, d. h. wenn kein Impuls zum Wirken gekommen ist, liegt
über den Widerstand R1 am Eingang EZ der Einrichtung Minuspotential an. Der Kondensator
Cl ist auf die durch das Spannungsteilerverhältnis, das durch die Widerstände R1
und RE bestimmt wird, gegebene Spannung aufgeladen. RE sei der Innenwiderstand
des Schwellwertschalters, der z. B. ein Schmitt-Trigger sein kann, dessen Schaltzustand
sich spontan bei Unter- oder Überschreiten einer definierten Schwelle ändert. Durch
einen am Eingang EZ angelegten Impuls wechselt entsprechend der auf der linken Seite
der F i g. 2 gegebenen Darstellung an diesem Eingang das Minuspotential nach Plus.
Hierdurch entlädt sich der Kondensator Cl über die Diode D 1 und den Widerstand
Ri. Die Entladung erfolgt um so schneller, je kleiner der Widerstand Ri ist, der
durch die den Impuls übertragende Einrichtung bestimmt wird. Mit dem Entladen des
Kondensators C1 verändert sich das Potential - anliegend an dem Eingang
ES des Schwellwertschalters -, und bei dem Unterschreiten eines bestimmten
Wertes, dem Schwellwert des Schalter S, kippt dieser in seinen anderen Schaltzustand
um. Hierdurch wechselt an den Ausgängen A 1 und A 2 des Schwellwertschalters das
Spannungspotential, und es kann nun z. B. ein Relais B an dem Ausgang A 1 zum Ansprechen
gebracht werden. Nach Ausbleiben des Impulses am Eingang EZ des Zeitgliedes wird
wieder Minuspotential angelegt, und der Kondensator Cl lädt sich über den Widerstand
R 1 langsam auf. Der Schwellwertschalter nimmt seine Grundstellung dann wieder ein,
wenn an seinem Eingang ES das anliegende Potential die Ansprechschwelle überschreitet.
Hierbei wechselt an den Ausgängen A 2 und A 1 des Schalter S das Potential, und
das nachgeschaltete elektromechanische Schaltmittel, z. B. ein Relais, wird in Grundstellung
zurückgestellt. Die Potentiale an den Ausgängen A 1 und A 2 sind invers zueinander.
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Mit dieser Schaltung nach F i g. 2 sind jedoch die Forderungen der
der Erfindung zugrunde liegenden
bestimmt, die gestellten Forderungen erfüllen, da in diesen praktisch ausgeführten
Schaltungen der Widerstand R1 viel größer gegenüber dem Innenwiderstand Ri ist.
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In der F i g. 3 a ist schematisch dargestellt, wie nach der Erfindung
die Ansprechzeit des Schwellwertschalters abhängig von dem Zeitglied so verändert
werden kann, daß auch kürzeste Impulse voll zur Wirkung kommen. Das wird dadurch
erreicht, daß z. B. von dem Ausgang A2 des Schwellwertschalters
S
eine entsprechende Rückwirkung (Rü) auf das Zeitglied Z ausgeübt wird. Hierbei
gelangt an den Eingang ES des Schwellwertschalters die Überlagerung zweier
Funktionen, nämlich die Ladefunktion des Zeitgliedes Z und die Schaltfunktion des
Schwellwertschalters S.
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Die Überlagerung dieser beiden Funktionen sei beispielsweise in der
F i g. 3 b näher erläutert. Beim Anliegen eines Impulses, links in der Figur mit
den Potentialen - und -f- dargestellt, wechselt am Eingang EZ das Potential von
Minus nach Plus. Diese Potentialänderung wird unverzögert über den Widerstand R
1 an den Eingang ES des Schwellwertschalters S weitergegeben, und
dieser wechselt sofort seinen Schaltzustand. Das Relais B kommt in Wirkstellung
und schließt seinen Kontakt B1 in dem Anschaltstromkreis des Kondensators Cl. Hierdurch
wird in dem Zeitglied die Verzögerungseinrichtung, bestehend aus dem Kondensator
Cl und dem Widerstand R l, eingeschaltet. Nach Beendigung des Impulses wird Minuspotential
an den Eingang EZ gegeben, der Kondensator lädt sich entsprechend der Widerstandskombination
R1, R2 und RE auf. Bei einem bestimmten Potential an dem Eingang ES
des Schwellwertschalters
S kippt dieser in seine Grundstellung zurück. Das Relais B fällt ab, öffnet seinen
Kontakt B1, und der Kondensator C1 entlädt sich langsam über den Widerstand R2.
Wenn an den Eingang EZ ein Impulsprogramm, das die geforderten Bedingungen erfüllt,
gegeben wird, spricht somit mit dem Anlegen des ersten Impulses an die Zeitschalteinrichtung
über den Schwellwertschalter S das Relais B an und schaltet mit dem Kontakt B1 die
Verzögerungszeit des Zeitgliedes an. Es kann nun der Fall eintreten, daß auf den
ersten Impuls mehrere Impulse, wobei die Impulsdauer kürzer als die Impulspause
ist, schnell hintereinander folgen, so daß die Entladung des Kondensators Cl über
den Widerstand R2 während der Impulsdauer nicht vollständig erfolgen kann. Hierdurch
kann der Fall eintreten, wenn, wie in F i g. 1 dargestellt, nach einem Impuls mit
der Zeit t4 eine Impulspause P4 folgt, daß die Zeitverzögerung nicht ausreicht,
um diese Impulspause zu überbrücken. Somit würde das Relais B, das über die gesamte
Pulsdauer in Wirkstellung
leiben sollte, bereits vorher in Grundstellung
zu-'' ckgestellt werden.
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Weiterhin kann bei dieser Schaltung der Fall intreten, daß der Anfangsimpuls
eine so kurze Dauer hat, daß das Relais B, bedingt durch seine nzugsträgheit, nicht
zum Ziehen kommt.
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Um das Ansprechen des Schwellwertschalter S unabhängig von nachgeschalteten
elektromechanischen Schaltmitteln, z. B. des Relais B in F i g. 3 b, zu machen,
wird nach der Erfindung in F i g. 3 c in den Anschaltstromkreis des Kondensators
C1 ein elektronisches Schaltmittel, z. B. ein Transistor Trl, geschaltet. Dieser
Transistor wird abhängig von dem Schwellwertschalter S dann durchlässig geschaltet,
wenn der Schalter S mit dem Anliegen des ersten Impulses eines Impulsprogramms seinen
Schaltzustand wechselt. Hierdurch wird der Kondensator C1 ran den Impulsstromkreis
angeschaltet und hält in der folgenden Impulspause entsprechend der Zeitverzögerung,
bestimmt durch den Widerstand R1 und den Kondensator C1, den Schwellwertschalter
S so lange in seinem Schaltzustand, bis an dem Kondensator C1 die Schwellwertspannung
erreicht wird. Die Verzögerungszeit betrage beispielsweise 5 bis 10 Sekunden.
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Um diese Verzögerungszeit unabhängig von der zeitlichen Folge der
Impulse immer wieder nach einem anliegenden Impuls voll wirksam zu schalten, ist
nach F i g. 4 der Kondensator C1 des Zeitgliedes Z parallel zu der Emitter-Kollektor-Strecke
eines Transistors Tr2 geschaltet. Ein an dem Zeitglied Z anliegender Impuls schaltet
den Transistor Tr2 durch, wobei der Kondensator Cl praktisch kurzgeschlossen wird.
In F i g. 4 liegt an dem Eingang EZ ein Impuls an, der über den Widerstand R1 den
Schwellwertschalter S in den anderen Schaltzustand steuert. Hierdurch wechseln die
Potentiale an den Ausgängen A2 und A1, und der Transistor Tr1 wird durchgeschaltet.
Der gleiche an dem Eingang EZ anliegende Impuls wird beispielsweise mit inversem
Potential dem zweiten Eingang EZJ des Zeitgliedes zugeführt und entsperrt den Transistor
Tr2. Über die Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors entlädt sich der Kondensator
C1, falls er aufgeladen ist.
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In F i g. 5 ist ein ausführliches Schaltungsbeispiel nach der Erfindung
dargestellt, das grundsätzlich in seiner Wirkungsweise der schematischen Schaltung
nach F i g. 4 entspricht. Auf der linken Seite der F i g. 5 ist ein beliebiger Impuls
dargestellt, der über eine Phasenumkehrstufe mit dem Transistor Tr5 mit inversen
Potentialen den Eingängen EZ und EZJ der Zeitschalteinrichtung zugeführt wird. Es
sei beispielsweise angenommen, daß in den Impulspausen an den Eingängen EZ bzw.
EZJ die Potentiale -bzw. -I- und bei dem Anliegen eines Impulses die Potentiale
(+) bzw. (-) anliegen, wobei beispielsweise dem Potential - und (-) ein Wert zwischen
-15 und -20 V und dem Potential -f- und (-I-) ein solcher Wert von 0 bis -5 V zugeordnet
sein kann.
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In den meisten Fällen kann die Phasenumkehrstufe mit dem Transistor
Tr5 entfallen, da in digitalen Schaltkreisen das inverse Potential meistens zur
Verfügung steht.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Phasenumkehrstufe in der Schaltung
nach F i g. 5 dadurch zu vermeiden, daß Transistoren des umgekehrten Leitfähigkeitstyps,
z. B. npn und pnp, in der Zeitschalteinrichtung verwendet werden. In Grundstellung
der Zeitschalteinrichtung liegt an dem Eingang EZ Minuspotential an, und der Transistor
Tr3 im Schwellwertschalter S ist durchgeschaltet. Die in dem Kollektorstromkreis
liegenden Widerstände und der im Emitterkreis liegende Widerstand R3 dieses Transistors
sind stromdurchflossen, so daß der mit seinem Emitter am gemeinsamen Widerstand
R3 liegende Transistor Tr4 gesperrt ist. An den Ausgängen A 2 bzw. A 1 des Schwellwertschalters
S treten die dargestellten Spannungspotentiale + bzw. - auf. Das Relais B befindet
sich in Grundstellung. Der Transistor Trl ist gleichfalls gesperrt, da durch das
Potential -I- die in der Abhängigkeitsleitung Rü liegende Zenerdiode ZD gesperrt
ist und somit die Basis des Transistors Trl gegenüber dem Emitter positiv vorgespannt
ist. Außerdem kann durch die in der Abhängigkeitsleitung liegende Zenerdiode ZD
der Wert des Emitterwiderstandes R4 sehr klein gehalten werden, wodurch die Vorspannung
des Kondensators C1 über den durchgeschalteten Transistors Trl ebenfalls niedrig
gehalten wird.
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Der Transistor Tr2 ist gleichfalls gesperrt, da das an der Basis über
den Eingang EZJ anliegende Potential gegenüber dem Minuspotential am Emitter einen
positiven Wert hat.
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Wird ein Impuls an den Eingang EZ und über die Phasenumkehrstufe mit
inversem Potential an den Eingang EZJ gegeben, so springt an dem Eingang EZ das
Potential nach Plus (-I-) bzw. an dem Eingang EZJ nach Minus (-). Die Basis des
Transistors Tr3 nimmt jetzt unverzögert über den Widerstand R1 und den Eingang
ES einen positiven Wert gegenüber dem am Kollektor anliegenden Potential
ein. Hierdurch wird der Transistor Tr3 gesperrt und der Transistor Tr4 in bekannter
Weise durchlässig geschaltet. An den Ausgängen A 2 bzw. A 1 des Schwellwertschalters
treten jetzt die Potentiale (-) bzw. (-I-) auf. Das Relais B zieht an, und weiterhin
zündet die in der Abhängigkeitsleitung Rü liegende Zenerdiode ZD, so daß der in
dem Anschaltstromkreis des Kondensators Cl liegende Transistor Trl durchlässig geschaltet
wird. In der nun auf einen Impuls folgenden Pause wird Minuspotential an den Eingang
EZ angelegt und der Kondensator C1 lädt sich über den Widerstand R 1 langsam auf.
Folgt auf den ersten Impuls in einer bestimmten Zeit ein weiterer Impuls, so wird
die Aufladung des Kondensators C1 unterbrochen, da wiederum Pluspotential (-f-)
am Eingang EZ und an dem Eingang EZJ Minuspotential (-) angelegt wird. Hierdurch
wird während dieser Impulsdauer der Transistor Tr2 durchgeschaltet, schließt den
über den Widerstand R2 an den Emitter und Kollektor parallelgeschalteten Kondensator
C1 kurz, und der Kondensator wird bis auf eine geringe Restspannung entladen. Bei
der folgenden Impulspause lädt sich der Kondensator C1 wieder langsam auf, da der
Transistor Tr2 wieder gesperrt ist. Während der gesamten Zeit bleibt das Relais
B in Wirkstellung und kennzeichnet damit das Vorhandensein einer Impulsfolge.
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Dieses in F i g. 5 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsbeispiel,
bei dem der Kondensator C1 in Grundstellung der Zeitschalteinrichtung entladen und
durch den Transistor Trl von dem Impulseingang abgetrennt ist, ist besonders für
die Verwendung bei Rottenwarnanlagen günstig. In diesem Fall ist, wie bereits erwähnt,
das Verhältnis zwischen Impulsdauer und Impulspause eines durch eine Zugeinheit
erzeugten
Impulstelegramms höchstens 1 :100, so daß für die Entladung des Kondensators Cl
während einer Impulsdauer über den Widerstand R2 und den Transistor Tr2 eine genügend
lange Zeit zur Verfügung steht. Hierdurch kann ein wirtschaftlich günstiger Transistor
mit geringer Strombelastung verwendet werden.
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Würde man dagegen den Kondensator Cl in der Grundstellung der Zeitschalteinrichtung
direkt an den Impulseingang anschalten, wobei der Kondensator voll aufgeladen wäre,
so müßte die Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators Cl über den Widerstand
R2 und den Transistor Tr2 kleiner als das Verhältnis zwischen der kürzesten Impulsdauer
und der vorbestimmten Verzögerungszeit der Einrichtung, nämlich kleiner als 1 :1000,
beim Auftreten des ersten Impulses sein, um ein sicheres Ansprechen der Zeitschalteinrichtung
zu gewährleisten. Dieses hätte jedoch nicht nur zur Folge, daß das Ansprechen der
Zeitschalteinrichtung verzögert würde, sondern es muß auch ein wesentlich teurerer
Transistor Tr2 verwendet werden, da dieser mindestens den 10fach höheren Entladestrom
schalten muß.
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Folgt nach einem Impuls z. B. eine Pause P5 in F i g. 1, deren Dauer
größer als die dem Zeitglied Z in F i g. 5 zugeordnete Verzögerungszeit ist, so
nimmt das Potential an dem Eingang ES einen Wert an, der über dem vorbestimmten
Schwellwert des Schwellwertschalters S liegt. Mit dem Überschreiten des Schwellwertes
wird nun der Transistor Tr3 durchgeschaltet und sperrt einerseits den Transistor
Tr4 und andererseits den Transistor Trl, indem die an der Zenerdiode ZD anliegende
Spannung auf einen Wert herabgesetzt wird, der kleiner als deren Durchbruchsspannung
ist. Weiterhin wird das Relais in Grundstellung zurückgeschaltet, womit das Ende
eines Impulsprogramms angezeigt ist.
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An Stelle des gemeinsamen Emitterwiderstandes R3 der Transistoren
Tr3 und Tr4 kann es vorteilhaft sein, eine Zenerdiode zu schalten, um das an den
Emittern liegende Potential unabhängig von den Schaltzuständen der Transistoren
Tr3 und Tr4 auf einem gleichen Wert zu halten. Hierdurch können den durchgeschalteten
Transistoren unterschiedliche Ströme zugeordnet werden, um den Leistungsverbrauch
der Zeitschalteinrichtung in Grundstellung niedrig zu halten.
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Bei der Verwendung eines gepolten Kondensators Cl ist es zweckmäßig,
um eine Aufladung des Kondensators mit umgekehrter Polarität zu verhindern, eine
Diode D2 parallel zu diesem zu schalten. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf
die dargestellten Beispiele. Die Zeitschalteinrichtung kann beispielsweise auch
so ausgeführt werden, daß diese mit dem Auftreten der Vorderflanke eines Impulses
verzögert anspricht und mit der Rückflanke eines Impulses wieder unverzögert in
Grundstellung zurückgestellt wird.