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Verfahren zum Betrieb eines Elektromagneten, insbesondere eines Magnetventils,
und Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromagneten an einer Wechselspannung oder an
einer periodisch pulsierenden Gleichspannung. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung
zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Elektromagnete, z.B. zur Steuerung von Ventilen, werden so ausgelegt,
daß die Wärmeentwicklung während der zulässigen Sinschaltdauer eine HöchsttemDeratur
ergibt, welche nicht hoher ist als die zulässige Grenztemneratur der im Elektromagneten
verwendeten Werkstoffe. Hierbei müssen die zulässigen Umgebungs- und Mediumstemperaturen
voll berücksichtigt werden.
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Die Wärmeentwicklung ist eine Funktion zweier Ströme, nämlich um einen
des Einschaltstromes, und zwei anderen des Haltestroms.
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Da oeim stromlosen Elektromagneten der Luftspalt groß und die Induktivität
klein ist, wird zum Einschalten ein großer Einschaltstrom benötigt. Beim eingeschalteten
Elektromagneten dagegen ist der Luftspalt klein und es wird ein kleinerer Strom,
der sogenannte Haltestrom, benötigt, um den Elektromagneten weiterhin im eingeschalteten
Zustand zu halten.
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Bei einer gegebenen Nagnetkonstruktion stehen Einschaltstrom und Haltestrom
in einem durch die Konstruktion vorgegebenen Verhältnis zueinander.
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In der Praxis wird der durch einen Elektromagneten fließende Strom
und damit die Wärmeentwicklung durch den Einschaltstrom bestimmt, d.h. der in den
eingeschalteten Elektromagneten fließende Strom ist regelmäßig größer als der an
sich noch erforderliche Haltestrom, und infolgedessen ist auch die WärmeentwIcklung
im eingeschalteten Zustand größer, als das an sich erforderlich wäre, oder anders
gesagt, werden bei eingeschaltetem Elektromagneten unnötige Verluste produziert.
Es gibt daher verschiedene Schaltungen, z.B. mit Relais, welche zeitabhängig, d.h.
nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne vom Einschaltzeitpunkt an gerechnet, den Strom
durch die Magnetwicklung herabsetzen. Diese Zeitspanne wird aber aus Sicherheitsgründen
regelmäßig zu hoch angesetzt, was unerwunscht ist.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, hier eine Verbesserung
zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten Verfahren dadurch
erreicht, daß der Magnetwicklung des Elektromagneten beim Einschalten während mindestens
einer Halbperiode ein hoher Einschaltstrom zugeführt wird, und daß anschließend
der der Hagnetwicklung zugeführte Strom Cllaltestrom) durch eine von der Zahl der
Halbperioden oder Nulldurchgänge gesteuerte Vergrößerung des Phasenanschnittwinkels
verringert wird. Man
erreicht so auf einfache Weise, daß der Strom
im Elektromagneten den jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen (Einschalten oder
Halten) automatisch angepasst wird und man mit einem minimalen Aufwand an elektrischer
Energie ein sicheres Arbeiten des Elektromagneten erreicht. Dies ermöglicht z.B.
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eine starke Erhöhung der Schaltleistung ohne Erhöhung der Baugröße.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
im folgenden beschriebenen und in dar Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als
Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den
Unteransprüchen. Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer ersten Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 Schaubilder zur Erläuterung
von Fig. 1, Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, Fig.
4A Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise von und 4B Fig. 3, Fig. 5 ein Schaltbild
einer dritten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 6 ein Schaltbild einer vierten,
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7A Schaubilder zur Erläuterung von
Fig. 6, und 7B Tig. 8 eine Darstellung eines mit einer Schaltanordnung nach der
Erfindung versehenen Ventils und
Fig. 9 eine Darstellung eines mit
einer Schaltanordnung nach der erfindung versehenen Steckers.
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Fig. 1 zeigt in prinzipiellen Aufbau eine erste erfindungsgemäße Anordnung,
die zum Anschluß an ein Wechselstromnetz ausgebildet ist. Die Magnetwicklung 11
eines Magnetventiles z.B. des Magnetventils 12 nach Fig. 8, ist an die Ausgänge
eines Brückengleichrichters 13 angeschlossen, dessen Eingänge in Serie mit Triac
14 und einem Schalter 15 an das Netz 10 angeschlossen sind.
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Zum Steuern des Triac 14 dient ein Impulsgeber 16, und die Phasenlage
der Impulse von 16 wird bestimmt durch zwei Glieder 17, 18, die ihrerseits von einen
Glied 19 gesteuert werden, dessen Eingang über einen Spannungsteiler 22, 23 an das
Netz 10 angeschlossen ist.
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Die Anordnung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: Beim Einschalten aktiviert
das Glied 19 zunächst das Glied 17, so daß der Impulsgeber 16 Impulse 24 mit einem
Phasenwinkel bezüglich des Nulldurchganges der an der Wicklung 11 anliegenden pulsierenden
Gleichspannung 25 abgibt. Man erhält deshalb beim Einschalten zunächst einen hohen
Strom i1 Nach beispielsweise zwei Nulldurchgängen der Wechselspannung, was durch
NDZ (Nulldurchgangszähler) angedeutet ist, aktiviert das Glied 19 das Glied 18 und
sperrt das Glied 17, so daß der Impulsgeber 16 jetzt Impulse 26 mit einem größeren
Phasenwinkel <2 abgibt, wodurch der Strom i2, wie in Fig. 2 dargestellt, stark
absinkt, und zwar auf den Wert, der als Haltestrom noch erforderlich ist.
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Beim Ausschalten wird das Glied 19 wieder zurückgestellt und ohaltet
deshalb beim erneuten Einschalten stets zuerst das Glied d 17 ein, so daß man einen
hohen Einschaltsrom and deshalb ein sicheres Anziehen des Magnetventiles erreicht.
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Mit 27 ist in Fig. 2 die Ladespannung des Kondensators eines RC-Gliedes
als Funktion der Zeit bei niedrigem Wert des Widerstande und mit 28 die Ladespannung
bei hohem Wert des Widerstands dargestellt. Man erkennt, daß die für eine ImpulserzeugunO
erforderliche Spannungsdifferenz Du bei niedrigem Widerstand früh, bei hohem Widerstand
spät erreicht wird. Dies ist eine der lösungsmöglichkeiten für das aufgezeigte Problem
und diese Lösung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele ausführlich erläutert.
Es wird aber ausdrücklich darauf hingewiesen, daß im Rahmen der Ereindung z.B. auch
rein digitale Lösungen möglich sind, z.B. in der Weise, daß durch einen voreinstellbaren
Zähler aus einer Impulskette zunächst ein Impuls niedriger Rangordnung und in der
Folge nur noch Impulse hoher Rangordnung ausgeblendet werden und daß mit diesen
ausgeblendeten Impulsen die Thyristoren o.dgl. eingeschaltet werden.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltung, die zum Anschluß an eine pulsierende
Gleichspannung 30 ausgebildet ist, also z.B. an eine Gleichspannung, die durch Gleichrichtung
der positiven und der negaeinen Halbewellen einer Wechselspannung erzeugt wird.
Parallel zur Wicklung 31 des Magnetventils ist hier eine Leerlaufdiode 32 geschaltet,
und diese Parallelschaltung liegt in Reihe mit einem Schalter 33 und einem Thyristor
34 an den Eingangsklemmen 55 (+) und 36 (-).
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Eine Zenerdiode 37 ist mit ihrer Anode an 36 und mit ihrer Kathode
an einen Knotenpunkt 38 angeschlossen, der über einen Widerstand 39 mit der Anode
des Thyristors 34 verbunden ist.
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Wie man ohne weiteres erkennt, entsteht an der Zenerdiode 37 in Betrieb
eine etwa rechteckförmige Spannung u0 die Lage der Rechteckimpulse entspricht derjenigen
der Halbperioden der pulsierenden Spannung 30; ihre Amplitude ist durch die Zenerspannung
von 37 vorgegeben.
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Parallel zur Zenerdiode 37 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands
42 und eines Kondensators 43. Die Spannung an 43
ist mit u1 bezeichnet
und wird dem Gate einer Thyristor-Totrode (PUT) 14 zugeführt, an deren Anode eine
Spannung u2 am unteren Widerstand 45 eines parallel zum Thyristor 34 liegneden Spannungsteilers
45, 46 liegt. Die Kathode des PUT 44 ist über einen Widerstand 47 mit dem Gate des
Thyristors 34 verbunden Zur Steuerung der Größe des Widerstandes 42 dient ein Glied
48.
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Es hat die Aufgabe, beim Einschalten zunächst den Widerstand 42 teilweise
oder ganz kurzzuschließen und in der Folge diesen Kurzschluß aufzuheben.
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Hierzu dient ein npn-gransistor 51, dessen Emitter-Kollektor-Strecke
parallel zum Widerstand 42 geschaltet ist und parallel zu dessen Basis-Sollektor-Strecke
ein Kondensator 52 und ein Widerstand 53 geschaltet sind.
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Die Anordnung nach Fig. 3 arbeitet wie folgt: Bein Einschalten des
Scnalters 33 ist der Kondensator 52 (durch den Entladewiderstand 53) entladen, so
daß Emitter und Bsis des Transistors 51 dasselbe Potential haben und dieser Transistor
daher voll leitet und den Widerstand 42 effektiv überbrückt. Deshalb steigt, wie
in Fig. 4A dargestellt, die Spannung u1 nach dem Einschalten rasch an, die für eine
Zündung des PUT 44 erforderliche Spannungsdifferenz z\u zwischen u1 und u2 wird
früh erreicht und die Zündung erfolgt bei einem Zündwinkel Die Kapazität 52 ist
so ausgelegt, daß die Spannung an ihr nach Ablauf von etwa zwei Halbperioden den
Transistor 51 sperrt. Dann wird der Widerstand 42 voll wirksam und gemäß Fig. 4B
steigt dann die Spannung u1 wesentlich langsamer an, so daß erst bei einem wesentlich
größeren Zündwinkel α2 vom PUT 44 ein Zündimpuls erzeugt wird.
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Auf diese Weise erhält man gemäß Fig. 4a während etwa zwei Ealbperioaen
den vollen Einschaltstrom, und danach gemäß Fig. 4B einen wesentlich reduzierten
Haltestrom, dessen Größe mittels
des Widerstandes 42 einstellbar
ist. Die Schaltung nach Fig. 3 wirkt dabei wie ein Stromregler, d.h. auch wenn die
Netzspannung winkt, wird der Haltestrom praktisch konstant gehalten. Dies stellt
einen wesentlichen Vorteil der Schaltung nach Fig. 3 wie auch der Schaltungen nach
den folgenden Ausführungsbeispielen dar.
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Fig. 5 eigt eine Schaltung, die zum direkten Anschluß an ein Wechselstromnetz
56 ausgelegt ist. Um die Wicklung 57 des Magnetventils für Gleichstrom auslegen
zu können, was infolge des Wegfalls des Kurzschlußrings erhebliche konstruktive
Vorteile hat, ist diese Wicklung - ebenso wie bei Fig. 1 - an die Ausgänge eines
Brückengleichrichters 58 angeschlossen, zu dessen Eingängen 60, 61 ein spannungsabhängiger
Widerstand (VDR) 59 parallel geschaltet ist. Diese Eingänge liegen in Reihe mit
einem Schalter 62 und einem Triac 63 an den Eingangsklemmen 64 und 65 der Schaltung.
Parallel zum Triac 63 liegt ein VDR 66, welcher vbenso wie der VDR 59 dazu dient,
Spannungsspitzen zu unterdrücken.
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An die Klemme 65 ist die kathode einer Zenerdiode 67 angeschlossen,
deren Anode mit der Anode einer Zenerdiode 68 verbunden ist. Die Kathode von 68
liegt an einem Knotenpunkt 69 und ist über einen Widerstand 72 mit dem Punkt 61
verbunden. Wie man ohne weiteres erkennt, entsteht an der Serienschaltung von 67
und 68 im Betrieb abwechselnd eine positive und eine negative Rechteckspannung und
diese Rechteckspannungen dienen dazu, über einen Widerstand 73 einen Kondensator
74 abwechselnd positiv und negativ aufzuladen. Der Verbindungspunkt von 73 und 74
ist mit 70 bezeichnet.
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Zur u"berbrückung des Widerstands 73 beim Einschalten sind hier zwei
Glieder 75 und 76 vorgesehen, von denen das Glied 75 weitgehend identisch aufgebaut
ist wie das Glied 48 nach Fig. 3 und auch dieselbe Funktion hat wie dieses, während
das Glied 76 zur Überbrückung des Widerstandes 73 während der Halbwelle negativer
Polarität dient.
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3-s Glied 75 enthält einen npm-Transistor 77, zu dessen 3asis-Kollektor-Strecke
ein Londensator 78 und ein Widerstand 79 parallel geschaltet sind. Parallel zur
Emitter-Basis-Strecke liegt eine Diode 82 und-der Kollektor ist über eine Diode
83 mit dem Knotenpunkt 70 verbunden. Die Diode 83 schützt den Transistor 77 gegen
die negative Halbwelle.
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Völlig analog, aber für die umgekehrte Polarität, ist das Glied 76
aufgebaut. Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke eines npn-Transistors 85 liegen
ein Kondensator 86 und ein Widerstand 87.
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Parallel zur Emitter-Basis-Strecke liegt eine Diode 88 und der ritter
ist über eine Diode 89, welche die positiven Halbwellen sperrt, mit dem Punkt 69
verbunden, während der Kollektor von 85 an 70 liegt.
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Der Punkt 70 ist über zwei antiparallel geschaltete Triggerdioden
92 mit einem Punkt 93 eines parallel zum Triac 63 geschalteten Spannungsteilers
94, 95 und - über einen Kondensator 96 - mit dem Gate des Triac 63 verbunden.
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Die Schaltung nach Fig. 5 stellt in gewissem Sinne die spiegelsymmetrische
Erweiterung der Schaltung nach Fig. 3 dar. Sie arbetet wie folgt: Beim Einschalten
von 62 sind die Kondensatoren 78 und 86 entladen, d.h., wenn eine positive Halbwelle
an der Klemme 74 anliegt, ist der Transistor 77 voll leitend, bei negativer Halbwelle
an der Klemme 64 der Transistor 85. In jedem Fall wird der Widerstand 73 überbrückt,
so daß sich der Kondensator 74 rasch auflädt, die entsprechende Triggerdiode 97
früh zündet und der Triac 53 kurz nach Beginn der Halbperiode gezündet wird und
man einen hohen Strom erhält. Wenn z.B. zuerst eine positive Halbwelle kommt, wird
zuerst der Kondensaotr 78 aufgeladen und blockiert anschließend den Transistor 77;
bei der nachfolgenden negativen Halbwelle ist der Kondensator 86 noch ungeladen,
so daß auch während der zweiten Halbwelle der Widerstand 73 voll
berbrückt
wird, wobei ebenfalls eine Aufladung des Kondensators 86 stattfindet, und während
der anschließenden Halb--ellen sind dann beide Transistoren 7? und 85 gesperrt und
der Triac 63 wird bei positiver und bei negativer Halbwelle spät gezündet, d.h.
es fließt dann nur noch ein kleiner Haltestrom. Die Glieder 75 und 76 wirken also
praktisch als zählglieder.
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Eine heitere, besonders bevorzugte Ausführungsform zeigt Fig. 6.
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Es hat sich gezeigt, daß mit dieser Schaltung ein besonders brummfreier
Betrieb des Magnetventils möglich ist, was einen wesentlichen Vorzug darstellt.
Hier ist die Wicklung 100 des Gleichstrom-Magnetventile in der Diagonalen ein er
sogenannten halbgesteuerten Brückensch-altung angeschlossen, die aus zwei Dioden
101, 102 und zwei Thyristoren 103, 104 besteht und deren Eingänge über zwei Klemmen
105, 106 an eine Wechselspannungsquelle 99 anschließbar sind. Zum Erzeugen einer
pulsierenden Gleichspannung dienen ferner zwei Dioden 107, 108, die zusammen mit
den Dioden 101, 102 eine zweite Gleichrichterbrücke bilden, an deren Ausgang die
Steuerglieder der Schaltung liegen. Die Dioden 101, 102 sind also hier doppelt ausgenutzt.
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Ferner liegt parallel zu den Klemmen 105, 106 ein spannungsabhängiger
Widerstand 109 zum Schutze der Dioden gegen Spannungsspitzen.
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Wie dargestellt, liegt der linke Anschluß 112 der SJicklung 100 an
der Verbindung der Dioden 101 und 102, der rechte Anschluß 113 dagegen an der Verbindung
der Thyristoren 103 und 104. Der Punkt 113 ist über einen Widerstand 114, einen
Knotenpunkt 115 und eine Zenerdiode 116 mit dem Verbindungspunkt 117 der Dioden
197 und 103 verbunden. Wie man ohne weiteres erkennt, erhält ran n der Zenerdiode
116 in Betrieb eine Rechteckspannung u3 (vergl. ig. 7A und 7B) und diese Spannung
dient wie bei den vorhergenden 3eispielen zum periodischen Laden eines Eondensators
120, dessen eine Elektrode mit dem Knotenpunkt 117 und dessen andere Elektrode über
einen Knotenpunkt 121 und einen Widerstand 122 mit den Knotenpunkt 115 verbunden
ist.
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Parallel zum Widerstand 122 liegt eine Schaltanordnung 123, die zwei
Funktionen hat: a) Die Anordnung 123 soll beim Einschalten den Widerstand 122 überbrücken
und dadurch eine frühe Zündung bewirken, b) Die Anordnung 123 soll bewirken, daß
eine solche frühe Zündung während mehr als einer Halbwelle erfolgt, damit das Magnetventil
sicher anzieht. Sie hat deshalb die Funktion eines Nulldurchgangszählers.
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Die Anordnung 123 ist wie folgt aufgebaut: Parallel zum Widerstand
123 liegt die Emitter-Kollektor-Strecke eines npn-Transistors 124, dessen Basis
mit der eines npn-Transistors 125 verbunden ist, wobei zwischen Basis und Kollektor
von 125 ein Kondensator 126 liegt und eine Diode 127 mit ihrer Anode an den Punkt
115 und mit ihrer Kathode an den Kollektor von 125 angeschlossen ist. Die Parallelschaltung
eines Kondenstators 128 und eines Widerstands 129 liegt zwischen dem Emitter des
Transistors 125 und dem Punkt 115.
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Der Punkt 121 ist an die Anode einer Thyristortetrode 132 angeschlossen,
deren Gate mit dem Abgriff 133 eines Spannungsteilers 134, 135 verbunden ist und
deren Kathode über einen Widerstand 136 an einen Knotenpunkt 137 angeschlossen ist,
von welch letzterem eine Diode 138 zum Gate des Thyristors 103 und eine Diode 139
zum Gate des Thyristors 104 führt.
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Die Schaltung nach Fig. 6 arbeitet wie folgt: Nach dem Einschalten
sind die Kondensatoren 126 und 128 zunächst entladen, so daß der Transistor 124
voll leitend wird und den Widerstand 122 überbrückt. Der Kondensator 120 kann sich
deshalb rasch aufladen, und die Spannung u4 an ihm steigt in der in Fig. 7A dargestellten
Weise rasch an und wird rasch
zum den Betragung größer als die
Spannung u5 am Wideranstand 135, so daß die Thyristortetrode 132 zündet und ein
Zündimpuls 112 mit einem Zündwinkel α1 zu dem zündbereiten Thyristor 103 oder
104 geführt wird. Man erhält also beim Einschalten während der ersten Halbperiode
einen großen Strom.
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Nach Ablauf der ersten Halbperiode wird die Spannung u3 an der Zenerdiode
116 kurzzeitig zu null und dadurch wird erreicht, daß der Transistor 124 stromlos
wird und daß die im Kondensator 126 inzwischen gespeicherte Ladung über den in diesem
Augenblick leitend werdenden Transistor 125 zum Kondensator 128 fließt, so daß der
Kondensator 126 wieder entladen wird und oei der folgenden Halbperiode erneut der
Transistor 124 voll leitend wird und die Zündung gemäß Fig. 7A nochmals zu einem
frühen Zeitpunkt erfolgt.
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Bei der dritten Halbperiode sind beide Kondensatoren 126 und 128 geladen,
weshalb der Transistor 124 nunmehr gesperrt bleibt und der Widerstand 122 nicht
mehr überbrückt wird. Jetzt steigt gemaß Fig. 7B die Spannung u4 nur noch langsam
an und die Zündurch erfolgt erst bei einem Winkel α2, der wesentlich größer
ist als ; so daß der Zündimnuls 143 bei der dritten Halbperiode erst spät kommt
und von diesem Zeitpunkt an nur noch ein kleiner Haltestrom fließt.
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Die Schaltanordnung 123 hat also die Funktion eines Nulldurchgangzählers,
da sie während des ersten Nulldurchgangs den Kondensator 126 entlädt, danach aber
nicht mehr.
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Fig. 8 zeigt ein Magnetventil 12, bei dem unten der eigentliche Ventilteil
144 mit zwei Anschlüssen 145, 146 und oben der elektromagnetische Teil 147 mit den
seitlichen Flachsteckerkontakten 143 dargestellt ist. Im Teil 147 sind auch in einem
Bereich 49 die elektronischen Schaltelemente untergebracht, z.B. die
Schaltelemente
der Anordnung nach Fig. 6. Man erhält so einen sehr kompakten Aufbau bei ausgezeichneter
Leistung.
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Fig. 9 zeigt die Unterbringung des Elektronikteils 149 in einem Stecker
150, der zum Aufstecken auf die Flachsteckerkontakte bestimmt ist. Eine solche Anordnung
ermöglicht in einfacher Weise das Umrüsten bereits eingebauter Magnetventile auf
die Erfindung. Auc im einem Schaltschrank kann der Elektronik teil 149 ohne weiteres
untregebracht werden.
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Ersichtlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung zahlreiche weitere
Variationen und Abwandlugen möglich. Dem Anspuch kommt selbständige Bedeutung zu.