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Berührungslos arbeitender Schalter für eine Signal- oder überwachungs
anlage einer Schienenbahn.
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Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden Schalter für
eine Signal- oder Überwachungsanlage einer Schienenbahn, mit einem Oszillator zur
Erzeugung eines oszillierenden elektromagnetischen Feldes, das derart im Bereich
einer Fahrschiene angeordnet ist, daß die auf der Fahrschiene vorbeifahrenden Räder
eines Schienenfahrzeuges dieses Feld dämpfen und hierdurch die Schaltfunktion des
Schalters auslösen.
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Nach dem Stande der Technik sind berührungslos arbeitende Schienenschalter
bekannt, die als Magnetschalter ausgebildet sind. Diese Magnetschalter wurden zunächst
in die Schiene selbst eingebaut, was eine Schwächung des Schienenprofiles zur Folge
hatte. Aus diesem Grunde können derartige Schalter für hochbelastete Schienen nicht
verwendet werden. Später ist man dazu übergegangen, die Magnetschalter auf der Innenseite
der Schiene, d.h. also auf der zur Gleismitte gerichteten Seite mit einigem Abstand
zum Schienenkopf an der Schiene anzuklemmen, derart, daß die
Spurkränze
der Fahrzeugräder zwischen dem Schalter und dem Schienenkopf hindurchgehen. Eine
solche Anordnung ist insofern vorteilhaft, als die Spurkränze der Fahrzeugräder
sich besonders dicht am Schalter vorbeibewegen, was eine besonders sichere Auslösung
der Schaltfunktion des Schalters zur Folge hat. Der Nachteil dieser Anordnung besteht
darin, daß bei vielen Schienenbahnen der Zwischenraum zwischen beiden Fahrschienen
nach Möglichkeit freigehalten werden sollte. Bei normalen Bahnen greifen nämlich
in den Raum zwischen den beiden Fahrschienen die Geräte zur Schotterbearbeitung
wie z.B. Stopfmaschinen oder dergleichen ein. Das gleiche gilt für Schneepflüge
oder dergleichen. Bei besonderen Bahnen wie z.B. Stadtbahnen oder Untergrundbahnen
muß der Raum zwischen den Schienen für Stromabnehmer, Kupplungs- oder Bremsschläuche
und dergleichen freigehalten werden.
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Eine Anordnung von Magnetschaltern außerhalb des Zwischenraumes zwischen
zwei Fahrschienen hat sich als nur schlecht praktikabel erwiesen, da hier die Entfernung
zwischen dem vorbeilaufenden Rad und dem Schalter in der Regel zu groß bemessen
werden muß. Infolgedessen ist eine sichere Auslösung der Schaltfunktion mittels
eines Magnetschalters hierbei nicht mehr gewährleistet.
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Berührungslos arbeitende Magnetschalter haben sich insbesondere auch
insofern als nachteilig erwiesen, als ihre Schaltfunktion oft völlig unkontrollierbar
ausgelöst wird, wenn sich Räder an ihnen vorbeibewegen, die durch Wirbelstrombremsen
magnetisiert sind.Stationäre Wirbelstrombremsen werden besonders häufig auf Rangierbahnhöfen
eingesetzt, so daß die Verwendung von berührungslos arbeitenden Magnetschaltern
auf Rangierbahnhöfen
schlechthin unmöglich ist.
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Um den zuletzt genannten Nachteilen zu begegnen, sind elektronisch
arbeitende berührungslose Schalter vorgeschlagen worden. Diese elektronischen Schalter
weisen einen Oszillator zur Erzeugung eines oszillierenden elektromagnetischen Feldes
auf, das derart im Bereich der Fahrschiene angeordnet ist, daß die auf der Fahrschiene
vorbeifahren den Räder eines Schienenfahrzeuges dieses Feld dämpfen und hierdurch
die Schaltfunktion des Schalters auslösen. In Bezug auf die Anordnung ergeben sich
bei derartigen elektronischen Schaltern grundsätzlich die gleichen Probleme, wie
bei den oben erwähnten Magnetschaltern. Und zwar muß das elektromagnetische Feld
hier so angeordnet sein, daß es durch das vorbeilaufende Rad des Schienenfahrzeuges
ausreichend gedämpft wird, damit die Schaltfunktion absolut sicher ausgelöst werden
kann. Das heißt mit anderen Worten, das elektromagnetische Feld muß so angeordnet
sein, daß es möglichst vollständig von dem vorbeilaufenden Rad bzw. von dem vorbeilaufenden
Teil des Rades durchsetzt wird. Aus Platzgründen darf der Schalter nicht auf der
Innenseite der Fahrschiene angeordnet sein und auch nicht allzu hoch über den Schienenkopf
hinausragen, weil er in diesem Falle das Schienenfahrzeug bei der Vorbeifahrt behindern
würde. Schließlich muß das elektromagnetische Feld des Schalters auch so angeordnet
sein, daß es durch die Schiene oder andere in der Nähe der Schiene stationär befindliche
Eisenteile nicht unzulässig vorgedämpft wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den elektronischen Schalter der eingangs
genannnten Art dahingehend weiterzubilden, daß er den aufgeführten Anforderungen
entspricht.
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Gegenstand der Erfindung ist ein berührungslos arbeitender Schalter
für eine Signal- oder Überwachungsvorrichtung einer Schienenbahn, mit einem Oszillator
zur Erzeugung eines oszillierenden elektromagnetischen Feldes, das derart im Bereich
einer Fahrschiene angeordnet ist, daß die auf der Fahrschiene vorbeifahrenden Räder
eines Schienenfahrzeuges dieses Feld dämpfen und hierdurch die Schaltfunktion des
Schalters auslösen, wobei sich dieser Schalter dadurch kennzeichnet, daß er einseitig
außen an der zugehörigen Fahrschiene angeordnet ist und daß die Wicklungen der Oszillatorspule
des Schalters auf einem langgestreckten, E-förmigen Kern angeordnet sind, dessen
Stege oberhalb des Schienenkopfes auf den Laufkranz des vorbeifahrenden Rades eines
Schienenfahrzeuges gerichtet sind.
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Die erfindungsgemäße Anordnung des Schalters einseitig außen an der
Fahrschiene hat aus Platzgründen ganz erhebliche Vorteile. Eine Anordnung eines
elektronischen Schalters der genannten Art einseitig außen an der Fahrschiene scheiterte
bisher daran, daß das elektromagnetische Feld sich vom Schalter her nicht so genau
ausrichten läßt, daß es einerseits durch das vorbeilaufende Rad eines Fahrzeuges
merklich gedämpft wird und andererseits durch die Schiene, insbesondere durch den
Schienenkopf nicht unzulässig vorgedämpft wird.
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Die Erfindung behebt diesen Mangel dadurch, daß sie mit Hilfe eines
E-förmigen Kernes ein langgestrecktes, flaches Feld erzeugt, das genau in den Bereich
hineinstrahlt, in den der Laufring des vorbeifahrenden Rades des Schienenfahrzeuges
einläuft. Infolge der langgestreckten flachen Ausbildung des Feldes strahlt es kaum
in den Bereich des Schienenkopfes ein, wo es unzulässig vorgedämpft würde.
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Um ein möglichst weitaustretendes Feld zu erzeugen, ist vorgesehen,
daß die zwischen den Stegen des E-förmigen Kernes vorhandenen Kammern vollständig
durch die Wicklungen der Oszillatorspulen ausgefüllt sind. Hierbei ist es zweckmäßig,
wenn innerhalb der zwischen den Stegen des E-förmigen Kernes vorhandenen Kammern
die einzelnen Lagen der Wicklungen größere Abstände voneinander haben als außerhalb
von diesen Kammern. Dies bringt zusätzlich den Vorteil mit sich, daß die Erstreckung
der Wicklungen quer zur Längsrichtung des E-förmigen Kernes nur gering ist.
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Würde man die Kammern vollständig mit Kupfer vollwickeln, so hätte
man ein dickes Auftragen seitlich des E-förmigen Kernes und würde dann den Kern
nicht mehr in einem verhältnismäßig flachen Gehäuse unterbringen können.
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Zweckmäßig werden für die Wicklungen der Oszillatorspule vieladrige
Litzen verwendet. Hierdurch wird der ohmsche Widerstand der Wicklungen herabgesetzt,
so daß sich eine große Schwingkreisgüte ergibt.
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Um eine möglichst enge Bündelung des aus den Stegen des E-förmigen
Kernes austretenden Feldes zu erzielen, ist die innerste Lage der Wicklungen der
Oszillatorspule dicht auf den mittleren Steg des E-förmigen Kernes aufgewickelt.
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Infolge der hierdurch erzielten engen Bündelung wird ein weiteraustretendes,
genau gerichtetes Feld erzeugt, das insbesondere nicht in den Bereich des Schienenkopfes
einstrahlt.
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Die Rückoppelungswicklung des Oszillators ist zweckmäßig in den äußeren
Lagen der Oszillatorspule angeordnet. Der Kern des Oszillators besteht zweckmäßig
aus einem Ferrit, der dem Oszillatorfrequenzbereich in etwa angepaßt ist.
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Der Schalter gemäß der Erfindung weist einen an sich bekannten Oszillator
mit Transistorverstärkung auf. Dabei steuert der Schwingkreis des Oszillators über
einen Oszillator-Transistor in Emitter-Schaltung den Strom einer dem Schwingkreis
zugeordneten Rückkoppelungswicklung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Schalters gemäß der Erfindung
ist nun weiterhin vorgesehen, daß die Ermitterspannung des Oszillator-Transistors
an der Basis eines Regel- und Auslösetransistors liegt, dessen Kollektor-Emitterkreis
parallel zum Kollektor-Emitterkreis des Oszillator-Transistors geschaltet ist, in
dem die Rückkoppelungswicklung liegt.
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Der Regel- und Auslösetransistor ist bei hoher Spannung am Emitter
des Oszillator-Transistors stark leitend, so daß ein verhältnismäßig starker Strom
über den Parallelzweig fließt, in dem dieser Transistor liegt. Infolgedessen sinkt
die Speisespannung des Oszillator-Transistors ab, so daß dem Schwingkreis über die
Rückkoppelungswicklung nur wenig Energie zugeführt wird. Hierdurch wird die Amplitude
des Schwingkreises kleiner. Bei abnehmender Amplitude des Schwingkreises nimmt aber
auch die Leitfähigkeit des Regel-und Auslösetransistors ab, so daß die Speisespannung
des Oszillator-Transistors wieder zunimmt. Insgesamt ergibt sich also eine Einregelung
der Schwingkreisamplitude auf eine bestimmte Größe, die von äußeren Einflüssen äußerst
unabhängig ist.
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Bei Dämpfung des elektromagnetischen Feldes des Schwingkreises durch
im Feld befindliches Eisen nimmt infolge von Energieentzug die Amplitude des Oszillators
ab, wodurch die Leitfähigkeit des Regel- und Auslösetransistors plötzlich
geringer
wird, was wiederum mit einem plötzlichen Anstieg der Speisespannung verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird dieser plötzliche Spannungsanstieg zur Auslösung der Schaltfunktion
des Schalters verwendet.
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Bei der vorgeschlagenen Schaltung ist die Regelung der Amplitude des
Oszillators so genau, daß die Auslösung des Schalters schon bei verhältnismäßig
geringer Abnahme der Amplitude des Oszillators erfolgen kann. Der Schalter gemäß
der Erfindung hat also eine verhältnismäßig große Ansprechempfindlichkeit.
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Eine beispielsweise Ausführungsform des Schalters gemäß der Erfindung
wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der Fig. 1 einen senkrechten
Schnitt durch einen an einer Schiene befestigten Schalter gemäß der Erfindung, Fig.
2 eine Aufsicht auf den im Schalter gemäß der Erfindung verwendeten Kern, Fig. 3
schematisch die Ausbildung der Wicklungen des Oszillators des Schalters und Fig.
4 einen Schaltplan des Schalters gemäß der Erfindung zeigen.
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In Fig. 1 ist eine Schiene mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
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Mit dem Steg der Schiene 1 ist ein Träger 2 verschraubt, der sich
von der Gleismitte weg nach außen erstreckt. Der Träger 2 befindet sich also auf
der dem Spurkranz 3 eines Fahrzeugrades
4 abgewandten Seite der
Schiene 1.
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Mit seitlichem Abstand zum Kopf der Schiene 1 ist auf dem Träger 2
ein Gehäuse 5 befestigt, das den Schalter aufnimmt.
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Selbstverstäncllich besteht das Gehäuse 5 aus einem nicht leitenden
Material, das für elektromagnetische Felder der infrage kommenden Frequenz (io -
80 kHz) durchlässig ist.
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Im Gehäuse 5 sind auf einem E-förmigen Kern 6 die Wicklungen 7 eines
Oszillators angeordnet, der ein oszillierendes elektromagnetisches Feld erzeugt,
das flach und langgestreckt ausgebildet ist und sich in den Bereich oberhalb vom
Kopf der Fahrschiene -1 erstreckt. Der E-förmige Kern 6 ist deshalb etwas höher
als der Kopf der Schiene 1 angeordnet und weist mit seinen Schenkeln in Richtung
auf die Schiene 1.
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Die körperliche Ausbildung des aus Ferrit bestehenden Kernes 6 kann
den Figuren 2 und 3 entnommen werden. Er besteht aus zwei nebeneinander angeordneten
U-förmigen Teilen, deren beiden aneinander liegenden Schenkel den mittleren Steg
des E ergeben.
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Die zwischen den Schenkeln des E befindlichen Räume 6a und 6b werden
von den Wicklungen 7 des Oszillators vollständig ausgefüllt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich
ist, sind die einzelnen Lagen der Wicklung innerhalb des Raumes 6a und 6b mit einem
größeren Abstand voneinander angeordnet, als außerhalb- von diesen Räumen. Hierdurch
ergibt sich eine bessere Bündelung und Ausrichtung des an den freien Enden der Stege
des E-förmigen Kernes 6 austretenden Feldes. Außerdem tragen infolgedessen die Wicklungen
7 auf dem mittleren Steg des E nicht so stark auf, so daß sich insgesamt eine flache,
langgestreckte Form des mit den Wicklungen 7 versehenen Kernes 6 ergibt. Die
Litzen
der Wicklungen 7 sind zweckmäßig vieladrigtausgeführt. Die Wicklung des Schwinkreises
des Oszillators ist innen beginnend direkt auf den mittleren Steg des E-förmigen
Kernes 6 aufgewickelt. Die Rückkoppelungswicklung befindet sich dagegen nur zwischen
den äußeren Lagen der Schwingkreiswicklung.
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An der Rückseite des Gehäuses sind auf einer Platte 8 die Schaltelemente
des Schalters montiert.
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Der Schaltplan des Schalters gemäß der Erfindung geht aus Fig. 4 hervor
und wird im folgenden im Hinblick auf seine Einzelheiten näher erläutert: Bei der
dargestellten Schaltung bilden die Transistoren T2, T3 und T4 sowie die Wicklungen
L1 (Schwingkreiswicklung) und L2 (Rückkopplungswicklung) und der Kondensator C2
die Oszillatorschaltung. Der Transistor T2 dient nur zur Temperaturkompensation
des Arbeitspunktes für den Transistor T3, der im folgenden als Oszillator-Transistor
bezeichnet wird. Der Transistor T4 arbeitet als Verstärker, wobei die unlinear Strom-Spannungskennlinie
der Basis-Emitter-Strecke zur Amplitudenbegrenzung der Rückkoppelung ausgenutzt
wird.
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Wegen seiner später noch zu erläuternden Funktion wird der Transistor
T4 im folgenden als Regel- und Auslösetransistor bezeichnet. Die Wirkungsweise der
dargestellten Anordnung ist folgende; Die Basisspannung des Oszillator-Transistor
T3 wird durch das Spannungsteilerverhältnis zweier Widerstände R2 und R3 sowie die
Basis-Emitter-Spannung des Transistors T2 bestimmt und wird so eingestellt, daß
im Ruhezustand (Osiiallator
schwingt nicht) am Emitter des Oszillator-Transistors
T3 nur eine Spannungvon etwa 80 mV ansteht. Damit ist der Regel- und Auslösetransistor
T4 völlig gesperrt und der Kollektorstrom des Oszillator-Transistors T3 liegt unter
1 mA.
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Gespeist wird die Oszillatorschaltung vom Kollektorstram eines Transistors
T1, der als Konstantstrom-Generator arbeitet und in diesem Falle ca. 6 mA liefert.
Der von der Oszillator-Schaltung nicht aufgenommene Teilstrom fließt über eine Diode
D4 und eine Zenerdiode D5 ab, wobei gleichzeitig die Spannung-konstant gehalten
wird; ein geringer Teil des Stromes fließt auch als Basis-Strom eines Transistors
T5 ab.
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Die Rückkoppelungswicklung L2 liegt in Reihe mit einem Widerstand
R7 und parallel geschalteten Widerständen- RS und R6 am Emitter des Oszillator-Transistors
T3. Die Größe der Rückkoppelung und damit der gewünschte Schaltabstand wird durch
Veränderung des Widerstandes R7 eingestellt. Der Widerstand R5 und der Heißleiter-Widerstand
R6 (NTC-Widerstand) sind notwendig zur Temperaturkompensation des Schwingkreises,der
aus der Wicklung L1 und dem Kondensator C2 gebildet wird. Wird der-Widerstand R7
ausreichend niederohmig gemacht, beginnt der Oszillator zu schwingen. Die positive
Spannungsamplitude am Emitter des Oszillator-Transistors T3 erreicht sehr schnell
den Schwellwert der Basis-Emitter-Spannung des Regel- und Auslösetransistors T4.
Dieser wird leitend, was zur Folge hat, daß zusätzlich ein Parallelstrom über den
Regel- und Auslösetransistor T4 zu fließen beginnt, der bei einer geringen Erhöhung
der Basis-Emitter-Spannung sehr rasch hohe Werte annimmt, so daß bei ausreichender
Einstellung
der Rückkoppelungsenergie der gesamte, vom Transistor
Tl gelieferte Strom über diese Oszillatorschaltung abfließt und nur noch eine relativ
geringe Restspannung von etwa 1 V bestehen bleibt.
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Wird nun durch Annäherung von Metall infolge von Wirbelstromverlusten
dem Schwingkreis Energie entzogen (Bedämpfung durch das Rad des Schienenfahrzeuges),
wird der Regel- und Auslösetransistor T4 weniger leitend und die Spannung steigt
wieder an. Durch den eingeprägten Strom, den der Konstantstrom-Generator T1 liefert,
erfolgt dies mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit. Der Kondensator C1 ist zur Glättung
der Oszillatorspannung notwendig, da es sich bei dem beschriebenen Vorgang nur um
kurze Impulse während der positiven Halbwelle handelt.
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Die erwähnte Spannungsänderung wird dazu verwendet, die Schaltfunktion
des Schalters auszulösen. Der in Kollektorschaltung arbeitende Transistor T5 dient
zur Stromverstärkung und lädt - bei Dämpfung des Feldes des Schwingkreises - sehr
schnell, d.h. im rs-Bereich, einen Kondensator C3 auf. Die Entladezeit des Kondensators
C3 wird durch die Größe eines Widerstandes R lo bestimmt. Dadurch wird eine Impulsverlängerung
erreicht, die notwendig ist, um damit bei einem rasch vorbeifahrenden Zug das Ausgangs-Relais
sicher zum Ansprechen zu bringen. Für diese Schaltung ist eine Verzögerungszeit
von ca. 2 sec.
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vorgesehen, da nicht das einzelne Rad, sondern nur der ganze Zug das
Schaltsignal auslösen soll.
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Die am Kondensator C3 anstehende Spannung wird von einem als Schwellwert-Schalter
arbeitenden Kippverstärker, gebildet
aus den Transistoren T7,
T8 und T9, kontrolliert.
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Beim Oberschreiten der Schaltwelle, die etwa im mittleren Bereich
der am Kondensator C3 anstehenden maximalen Spannung liegt, wird der Transistor
T7 gesperrt, während der Transistor T8 leitend wird. Als Folge davon wird der Transistor
T9 ebenfalls leitend, wodurch - bedingt durch den Spannungsteiler aus den Widerständen
R13 und R14 -die Basisspannung des Transistors T8 negativer wird, so daß der Kippvorgang
eingeleitet wird. Eine zusätzliche Rückkoppelung auf den Osziallatorkreis über einen
Widerstand R2 bewirkt außerdem ein Kippverhalten des Oszillators.
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Hierdurch ergibt sich eine3Hystere»:, so daß sich ein labiler Zustand
beim langsamen Anfahren des Schaltpunktes nicht einstellen kann, Ein solcher labiler
Zustand wäre mit einem Flattern des Ausgangs-Relais verbunden.
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Der Transistor T6 arbeitet ebenso wie der Transistor Ti als Konstantstrom-Generator
und wird hier zur Stabilisierung des Arbeitspunktes bei Schwankungen der Speise
spannung verwendet.
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Der Transistor T9 schaltet über einen Ausgangs-Transistor Tlo ein
Relais di, das beim Vorbeifahren eines Zuges abfällt.
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Diese Auführung ist aus Sicherheitsgründen zweckmäßig, damit beim
Ausfall der Speisespannung keine gefahrbringenden Fehlmeldungen erfolgen.
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Eine Diode D7 dient zum Schutz der Schaltung bei falsch gewählter
Speisespannung, während ein Kondensator C5 eventuell auftretende Störimpulse auf
der Speiseleitung unterdrückt.
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- Patentansprüche -