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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
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In
vielen Bereichen der Eisenbahnsignaltechnik sind magnetisch arbeitende
oder auf Druck oder sonstige Einwirkungen reagierende Gleisschaltmittel
mit mechanischen Schaltkontakten in Gebrauch vgl. z. B. Deutsche
Eisenbahntechnik, Jahrgang 16 (1968) 3, Seiten 133 bis 136. Die
mechanischen Schaltkontakte, die auch als Schutzgaskontakte ausgebildet
sein können,
wirken in der Innenanlage auf ein meist als Relais ausgebildetes
Auswerteorgan, das an einer Spannungsquelle liegt. Höhere Fahrgeschwindigkeiten
und steigende elektrische und magnetische Beanspruchungen der Gleisschaltmittel
beeinträchtigen
in vielen Fallen die Funktion dieser Gerate und führen im
Extremfall sogar zu deren Zerstörung.
Auch die Fertigung derartiger Gleisschaltmittel bereitet zunehmend
Schwierigkeiten; für den
Aufbau werden Werkstoffe mit speziellen Eigenschaften benötigt, deren
Beschaffung immer größere Probleme
aufwirft. Aus den genannten Gründen
ist es erforderlich, diese Gleisschaltmittel durch elektronische,
auf die heutigen Anforderungen ausgelegte Radsensoren ersetzen zu
können.
Ein einfacher Austausch eines magnetisch arbeitenden oder auf Druck
reagierenden Gleisschaltmittels durch einen elektronischen Radsensor
ist jedoch nicht möglich, weil
die elektronischen Radsensoren keinen den mechanischen Schaltkontakten
dieser Gleisschaltmittel vergleichbaren Schaltausgang aufweisen,
also kein Auswerteorgan wie z. B. ein Relais direkt steuern können. Außerdem erfordern
elektronische Sensoren eine zusätzliche
Energieversorgung, die bei mechanisch arbeitenden oder auf Druck
reagierenden Gleisschaltmitteln nicht erforderlich und vor Ort auch nicht
vorhanden ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 anzugeben, die es ermöglicht, magnetisch arbeitende
oder auf Druck oder sonstige Beanspruchung reagierende Gleisschaltmittel
durch elektronische Radsensoren zu ersetzen, die in die Innenanlage
direkt auf Relais oder sonstige Schalter arbeiten, ohne daß es in
der Innenanlage irgendwelcher schaltungstechnischen Veränderungen
bedarf.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgaben durch die Anwendung der kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 (Arbeitsstromprinzip) bzw. 2 (Ruhestromprinzip).
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Erreicht
wird dies jeweils dadurch, daß der Radsensor
in nicht befahrenem bzw. befahrenem Zustand eine leitende Verbindung
zwischen zum Radsensor führenden
Versorgungs- und Meldeleitungen schaltet und damit in der Innenanlage
ein ansonsten fehlstromerregtes Relais in die Wirkstellung schaltet. Während dieser
Zeit erfolgt die Energieversorgung des Radsensors und der Schaltung
aus einem Speicherkondensator, der durch kurzzeitiges Aufheben der
leitenden Verbindung immer wieder nachgeladen wird. Das Relais halt
sich während
des Ladevorganges infolge Abfallverzögerung. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung
besteht nicht nur darin, daß sie
in bislang mit magnetisch arbeitenden oder auf Druck reagierenden
Gleisschaltmitteln ausgestatteten Bahnanlagen ein Auswechseln dieser
Gleisschaltmittel gegen elektronische Radsensoren ermöglicht,
ohne daß es
in der Innenanlage irgendwelcher Veränderungen bedarf, sondern es
ist auch möglich,
den gleichen Radsensor für
das Auswerteorgan bedarfsweise als Arbeitsstrom- oder als Ruhestromschalter
darzustellen. Damit besteht eine universelle Lösung für den Ersatz älterer,
auf einen Ruhe- oder Arbeitskontakt arbeitender Gleisschaltmittel durch
moderne elektronische Radsensoren unabhängig von Wirkprinzip der bisherigen
Gleisschaltmittel.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltung
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen
naher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in
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1 eine
Schaltung, die in Verbindung mit einem elektronischen Radsensor
als Arbeitsstromschalter für
ein Auswerteorgan in der Innenanlage wirkt, zusammen mit Diagrammen,
aus denen die Wirkungsweise der Schaltung erkennbar wird, in
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2 eine
sensorgesteuerte Schaltung zur Nachbildung eines Ruhestromschalters,
ebenfalls in Verbindung mit entsprechenden Diagrammen für die Kennzeichnung
der in der Schaltung ablaufenden Schaltvorgänge, in
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3 eine
sensorgesteuerte, universell sowohl als Arbeitsstromschalter als
auch als Ruhestromschalter einsetzbare Anpaßschaltung, in
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4 eine
vereinfachte Ausgestaltung der Schaltung für den Fall, daß das bewertende
Relais eine hinreichend große
Abfallverzögerung
aufweist und in
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5 eine
Schaltung, die ein sicheres Abfallen des Relais bei einer Sensorbefahrung
auch dann gewährleistet,
wenn der Haltestrom dieses Relais in der Größenordnung des Gleisgerätebetriebsstromes liegt.
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Für einander
entsprechende Bauelemente sind in den Figuren der Zeichnung die
gleichen Bezugszeichen verwendet worden. Die neben den Diagrammen
der 1 und 2 angegebenen Bezeichnungen ➀ bis ➃ kennzeichnen
Spannungen, die an entsprechend bezeichneten Meßpunkten der Schaltung abgreifbar
sind.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung
S gemäß 1 ist
in einem Gleisanschlußgehäuse GA in
der Nähe
eines Radsensors RS untergebracht und verbindet diesen über die
Versorgungs- und Meldeleitungen L1 und L2 mit einer fernen Innenanlage
JA, in der die Radsensormeldungen erfaßt und bewertet werden. Die
Schaltung modifiziert dabei die Radsensorsignale in der Weise, daß die Innenanlage
den Sensor als Arbeitsstromschalter erkennt, d. h. im unbefahrenen
Zustand des Sensors ist ein bewertendes Relais R abgefallen und
bei befahrenem Sensor ist das Relais erregt. Der eigentliche Radsensor
RS ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
als Oszillator ausgebildet, dessen Schwingfrequenz sich bei Annäherung von
Eisenmassen, vorzugsweise von auf einer Fahrschiene vorüberlaufenden
Eisenbahnrädern,
markant ändert.
Dabei ändert
sich die Stromaufnahme der Oszillatorschaltung oder die Amplitude der
am Oszillatorschwingkreis anliegenden Schwingspannung markant, was
an einem schematisch angedeuteten Ausgang AUS des Radsensors zur
Ausgabe einer entsprechenden Sensormeldung führt. Der Radsensor kann jedoch
auch in bekannter Weise nach dem Sender/Empfängerprinzip arbeiten, wobei die
zu detektierenden Eisenmassen beim Vorüberlaufen an dem Radsensor
die Kopplung zwischen den Sende- und Empfangsspulen des Radsensors verändern.
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Zum
Zeitpunkt t0 befindet sich der Radsensor RS im Ruhezustand, d. h.
er ist derzeit nicht von einem Fahrzeugrad befahren. Die aus der
Versorgungsspannung einer Spannungsquelle Ub abgeleitete Klemmenspannung
Uk treibt über
die Schaltung S und den Radsensor RS einen nur sehr geringen Strom
Ik, der nachfolgend als Gleisgerätebetriebsstrom
Ib bezeichnet ist. Dieser Strom ist über einen Vorwiderstand Rv
so bemessen, daß er
unterhalb des Haltestromes Ih des Relais R liegt; der Vorwiderstand
Rv reduziert die interne, an einem Speicherkondensator C anstehende
Versorgungsspannung für
den Radsensor und die Schaltung auf einen für die Elektronik zugeschnitteten Wert.
Im Ruhezustand des Radsensors sind ein elektronischer Ausgangsschalter
AS und ein Ladeschalter LS gesperrt.
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Gelangt
zum Zeitpunkt t1 ein Rad in den Einwirkbereich des Radsensors RS,
so wechseln dessen Ausgang und der Ausgang eines nachfolgenden Schaltzeitverlängerers
T1 ihren Zustand. Der Schaltzeitverlängerer hat die Aufgabe, bei
kurzen Beeinflussungszeiten infolge höherer Befahrungsgeschwindigkeiten
den Zustand der Beeinflussung auf eine Mindest-Zeitspanne tmin zu
verlängern,
die ausreichend groß ist,
um das Relais R zuverlässig
ansprechen zu lassen; Beeinflussungszeiten > tmin werden durch die dem Schaltzeitverlängerer T1
eingeprägte
Schaltzeit nicht verlängert.
Der Ausgang des Schaltzeitverlängerers
T1 ist gemeinsam mit dem Ausgang eines als Schwellwertschalter ausgebildeten
Spannungsüberwachers
SW auf ein Verknüpfungsglied
U geführt.
Zu Beginn der Radbeeinflussung liegt die interne Versorgungsspannung
des Gleisgerätes
(Schaltung S und Radsensor RS) oberhalb der Ansprechschwelle SO
des Spannungsüberwachers
SW, der diesen Zustand über
ein entsprechendes Ausgangssignal (High-Potenial) anzeigt. Da sowohl
der Schaltzeitverlängerer
T1 als auch der Spannungsüberwacher
SW High-Potential führen, steuert
das Verknüpfungsglied
U den elektronischen Ausgangsschalter AS in den leitenden Zustand.
Dieser Ausgangsschalter verbindet die Leitungen L1 und L2, über die
die Klemmenspannung an der Schaltung und am Radsensor liegt, niederohmig
miteinander. Dadurch bricht die Klemmenspannung Uk am Eingang der
Schaltung zusammen und es fließt über das Relais
R der Innenanlage ein Strom Ik, der deutlich größer ist als der Anzugsstrom
Ia des Relais. Das Relais R zieht daraufhin an und meldet über nicht dargestellte
Kontakte das Befahrungsereignis an eine nicht dargestellte Bewertungseinrichtung,
die beispielsweise aus den Radsensormeldungen benachbarter Radsensoren
fahrrichtungsabhängige Zählimpulse
ableitet.
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Weil
die Klemmenspannung Uk für
die Versorgung des Radsensors und der Schaltung nicht mehr zur Verfügung steht, übernimmt
nun ein zuvor über
die Leitungen L1, L2 aufgeladener Speicherkondensator C ab dem Zeitpunkt
t1 die Speisung der Schaltung und des Radsensors. Eine Diode D verhindert,
daß die
auf dem Speicherkondensator gespeicherte Energie über den
Vorwiderstand Rv und den Ausgangsschalter AS abgeleitet wird. Die
interne Versorgungsspannung sinkt mit fortschreitender Entladung
des Speicherkondensators C solange, bis zum Zeitpunkt t3 der untere
Schwellwert SU des Spannungsüberwachers
SW erreicht ist und der Spannungsüberwacher anspricht. Dieser
Zustandswechsel führt über das
Verknüpfungsglied
U zu einer Unterbrechung der Ansteuerung des Ausgangsschalters AS
und damit zu dessen Sperrung. Damit kehrt die Klemmenspannung Uk
zurück
und lädt
den Speicherkondensator C solange auf, bis die interne Versorgungsspannung
nach der Zeit ta den oberen Schwellwert SO des Spannungsüberwachers
SW wieder erreicht; dies ist zum Zeitpunkt t4 der Fall. Der von
der Schaltung und dem Radsensor aufgenommene Strom Ik fällt während dieser
Phase auf einen Wert ab, der sich aus dem Versorgungsstrom und dem
Ladestrom für
den Kondensator C zusammensetzt. Er liegt in der Größenordnung
des Haltestromes Ih für
das Relais, das während
des Ladevorganges in der Wirkstellung verbleibt; bei niedrigeren Strömen hält sich
das Relais infolge Abfallverzögerung.
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Der
Ausgang des Spannungsüberwacher SW
nimmt wieder seinen ursprünglichen
Zustand ein und ermöglicht über das
Verknüpfungsglied
U das erneute Ansteuern und Durchschalten des Ausgangsschalters
AS. Dieser Zustand bleibt solange erhalten, bis die interne Versorgungsspannung
nach Ablauf der Zeit te wieder den unteren Schwellwert SU des Spannungsüberwachers
erreicht und zum Zeitpunkt t5 einen neuen Aufladevorgang einleitet.
Der Wechsel zwischen Auf- und Entladung bleibt während der gesamten, ggf. durch
die Schaltzeit des Schaltzeit verlängerers T1 verlängerten
Radbeeinflussungsdauer tb, also auch bei Stillstand eines Rades,
erhalten.
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Das
Ansprechen des Schwellwertschalters zu den Zeitpunkten t3 und t5
führt zum
Schließen
eines Ladeschalters LS. Dieser schaltet dem Vorwiderstand Rv einen
niederohmigen Ladewiderstand R1 parallel und bewirkt damit ein rasches
Aufladen des Speicherkondensators C auf einen Wert, der es ihm gestattet,
in der Folge die Stromversorgung der Schaltung und des Radsensors
wieder zu übernehmen.
Der Schwellwertschalter öffnet
den Ladeschalter LS zu den Zeitpunkten t4 und t6, sobald die Ladespannung
des Kondensators den oberen Schwellwert SO des Spannungsüberwachers
SW erreicht.
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Bei
geeigneter Bemessung des Ladewiderstandes R1 ist die Aufladezeit
ta des Speicherkondensators kürzer
als die Abfallzeit des Relais R. Das Relais R bleibt also auch angezogen,
wenn der Strom Ik während
der Aufladephase unter den Haltestrom Ih des Relais sinken sollte.
Die Aufladezeit läßt sich
durch stufenweise oder kontinuierliche Veränderung des Ladewiderstandes
RL an unterschiedliche Relaistypen anpassen; eine automatische Anpassung
durch Strombewertung ist denkbar. Verläßt ein Rad den Einwirkbereich
des Radsensors zum Zeitpunkt t7, so wechseln die Ausgänge des
Radsensors RS und des Schaltzeitverlängerers T1 wieder in den Ruhezustand.
Der Ausgangsschalter AS wird dann nicht mehr angesteuert und nimmt
bis zur nächsten Radbeeinflussung
dauerhaft den Sperrzustand ein. Die Klemmenspannung Uk steigt wieder
auf ihren Maximalwert und der Speisestrom Ik sinkt auf einen Wert
Ib, der durch den Gleisgerätebetriebsstrom
definiert ist. Das Relais R fällt
ab und wird über
den niedrigen Gleisgerätebetriebsstrom
lediglich fehlstromerregt.
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Mit
nur geringfügigen Änderungen
kann die Schaltung nach 1 auch für Anlagen eingesetzt werden,
die nach dem Ruhe stromprinzip arbeiten. Eine solche Schaltung ist
in 2 dargestellt. Der Ausgangsschalter AS muß dann gegenüber dem Ausgangsschalter
nach 1 invers schalten. Zum Zeitpunkt t0, im unbeeinflußten Ruhezustand
des Sensors, muß der
Ausgangsschalter AS den leitenden Zustand einnehmen, während der
Radbeeinflussung den Sperrzustand. Wird der Ausgang des Radsensors
RS, des Schaltzeitverlängerers
oder des UND-Gliedes oder das Schaltverhalten des Ausgangsschalters
invertiert, zeigt die Schaltung genau dieses Verhalten. Zum Zeitpunkt
t0 hat das Ausgangssignal des Schaltzeitverlängerers T2 zusammen mit dem
Ausgangssignal des Spannungsüberwachers
den Ausgangsschalter AS in den leitenden Zustand gesteuert. Dabei
sind die Zuleitungen L1, L2 niederohmig verbunden und es fließt ein zum
Erregen des Relais R ausreichend hoher Ruhestrom Ik. Während dieser
Zeit steht die Klemmenspannung Uk der Schaltung S nicht zur Verfügung und
die Speisung der Schaltung S und des Radsensors RS erfolgt aus dem
Speicherkondensator C, der sich langsam entlädt. Erreicht die Ladespannung
des Kondensators C den unteren Schwellwert SU des Spannungsüberwachers
SW, so veranlaßt
dieser zum Zeitpunkt t1 das Öffnen
des Ausgangsschalter AS über
die UND-Verknüpfung
U. Gleichzeitig wird der Ladeschalter LS geschlossen, so daß der Ladekondensator
C innerhalb einer vorgegebenen Ladezeit ta soweit geladen wird,
daß er
die weitere Speisung der Schaltung und des Radsensors übernehmen
kann. Dies ist zum Zeitpunkt t2 der Fall, zu dem die Ladespannung
den oberen Schwellwert des Spannungsüberwachers erreicht. Während der
Aufladung des Speicherkondensators bleibt das Relais R angezogen.
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Die
zuvor geschilderten Vorgänge
wiederholen sich in vorgegebenen Abständen te, die abhängig sind
von der Stromaufnahme der Schaltung und des Radsensors, solange
der Radsensor nicht befahren wird. Wechselt der Schaltzeitverlängerer zum
Zeitpunkt t3 infolge einer Radbeeinflusssung seinen Ausgangsszustand,
so wird der Ausgangsschalter AS von der UND-Ver knüpfung U
her in den Sperrzustand gesteuert. Der Strom Ik sinkt auf den Gleisgerätebetriebsstrom
Ib (Ib < Ih) und
das Relais fällt
ab. Die für die
Dauer tb der Radbeeinflussung (tb ≥ tmin)
wieder an den Klemmen der Schaltung anliegende Spannung Uk übernimmt
die Speisung der Sensoreinrichtung. Mit dem Ende der Radbeeinflussung
zum Zeitpunkt t4 wird der Ausgangsschalter wieder in den leitenden
Zustand gesteuert, weil der Schaltzeitverlängerer T2 seinen Ausgang auf
High-Potential setzt. Der Strom Ik steigt auf einen Wert oberhalb
der Ansprechgrenze Ia des Relais R und bewirkt damit das Ansprechen
des Relais.
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Die
Funktionen der Schaltungen nach 1 und 2 können von
einem universell aufgebauten Gleisgerät erfüllt werden, wenn der Schaltzeitverlängerer,
wie in 3 dargestellt, oder der Radsensor, die UND-Verknüpfung oder
der Ausgangsschalter, einen invertierten und einen nicht invertierten
Ausgang aufweist. Bei Verwendung der Schaltung als Arbeitsstromschalter
wird der Eingang des Verknüpfungsgliedes
U auf den nicht invertierten Ausgang des Schaltzeitverlängerers
T3 geschaltet, für
den Einsatz als Ruhestromschalter auf den invertierten Ausgang. Das
Aufschalten des einen oder anderen Ausganges des Schaltzeitverlängerers
auf den zugehörigen
Eingang der UND-Verknüpfung U
geschieht z. B. durch einen Umschalter US. Dieser befindet sich
in 3 in der Schaltstellung, in der die Schaltung
S für das
Relais einen Arbeitsstromschalter darstellt; in der anderen Schaltstellung
wirkt die Schaltung als Ruhestromschalter.
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Bei
Verwendung sehr träge
reagierender Relais R zum Erkennen von Befahrungsereignissen darf die
Aufladezeit ta für
den Speicherkondensator C länger
sein als bei den Ausführungsbeispielen
der 1 bis 3 angenommen. Für diesen
Fall kann gegebenenfalls auf den Ladeschalter LS und den Ladewiderstand
R1 verzichtet werden, wie in 4 angenommen.
Wenn der La deschalter und der Ladewiderstand entfallen, ist nur
der Vorwiderstand Rv im Eingriff, wodurch sich die Zeitkonstante
der Aufladung entsprechend verlängert.
Gleichzeitig sinkt dabei der Ladestrom auf Werte, die im Bereich
des Haltestromes des Relais oder auch darunter liegen. Das Relais überbrückt diese
Zeiten durch die ihm eingeprägte
Abfallverzögerung.
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Wird
das Relais R an einer Wechselstromquelle betrieben, so kann die
erfindungsgemäße Schaltung über eine
Diodenbrücke
gepeist werden. Sie arbeitet dann mit einer pulsierenden Gleichspannung.
Der Speicherkondensator sorgt dabei für eine Glättung der Welligkeit für die interne
Versorgungsspannung der Schaltung und des Radsensors.
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In
einigen Innenanlagen werden schnelle Relais mit extrem niedrigen
Halteströmen
eingesetzt. Erreicht oder unterschreitet der Haltestrom eines derartigen
Relais die Größenordnung
des Gleisgerätebetriebsstromes,
kann mit den Schaltungen ein Abfall dieser Relais nach dem Unterbrechen
des Ausgangsschalters nicht garantiert werden. Um auch in seinem
solchen Fall ein sauberes Schaltverhalten sicherzustellen, kann
mit den in Bild 5 dargestellten Zusatzkomponenten die Stromaufnahme
des Gleisgerätes
der Ausgangsschalter bei jedem Befahrungsereignis solange unterbrochen
werden, bis das angesteuerte Relais zuverlässig abgefallen ist.
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In
die Versorgungsleitungen der Schaltung ist ein zusätzlicher
elektronischer Schalter, der Anschaltunterbrecher AU, geschaltet.
Jedesmal wenn das UND-Glied den Ausgangsschalter AS in den sperrenden
Zustand schaltet, wird auch das Zeitglied T4 angestoßen. Das
Zeitglied steuert den Anschaltunterbrecher AU für die Dauer einer ihm eingeprägten Schaltzeit
tab in den Sperrzustand und unterbricht damit vorübergehend
die Stromaufnahme der gesamten Schaltung. Eine Stromunterbrechung
tritt somit bei einer einen Ruhestromschalter darstellenden Schaltung
am Beginn einer Radbeeinflussung und/oder bei einer einen Arbeitsstromschalter
darstellenden Schaltung am Ende der Radbeeinflussung auf. Ist die
Zeit tab länger
als die Abfallverzögerung des
verwendeten Relais, fällt
das Relais beim Öffnen des
steuernden Ausgangsschalters zuverlässig ab; die Speisung der Schaltung
und des Radsensors erfolgt in dieser Zeit aus dem Speicherkondensator
C, der während
der Ansteuerung des Anschaltunterbrechers nicht nachgeladen wird.