DE2721225A1 - Schaltungsanordnung zur frequenz- selbststeuerung eines ultraschall- sendewandlers - Google Patents
Schaltungsanordnung zur frequenz- selbststeuerung eines ultraschall- sendewandlersInfo
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Description
1U122S
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Ze:
Berlin und München YPA 77 P 7 (H 8 BRD
Schaltungsanordnung zur Frequenz-Selbststeuerung eines Ultraschall-Sendev/andlers.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung von Ultraschall-Wandlern
zur Aussendung von Ultraschall-Wellen bekannt. Ultraschall-Wellen werden nicht nur für mechanische Arbeitsprozesse,
sondern auch für Ortungszwecke im allgemeinen Sinne verwendet.
Eine spezielle Ortungsanwendung ist die Verwendung von Ultraschall
für Einbruchs-Sicherungsanlagen. Eine andere bekannte Verwendung ist die zur berührungslosen Steuerung der Öffnung
eines Ventils, insbesondere eines Wasserhahnes.
Für die Ultraschall-Aussendung sind insbesondere Ultraschall-Wandler
aus piezoelektrischer Keramik, z.B. aus Bleizirkonat-Titanat bekannt. Derartiges polarisierbares Piezokeramikmaterial
hat eine große Leistungsfähigkeit, so daß erhebliche Ultraschall-Leistungen mit zudem relativ gutem Wirkungsgrad
aus zugeführter elektrischer Anregungsenergie erzeugt werden können. Besonders hohe Leistungserzeugung erhält man bei
Resonanzbetrieb des Ultraschall-Wandlers, d.h. bei Anregung desselben in einem Eigenschwingungs-Mode. Allerdings ist dieser
Ultraschall-Wandler bei derartigem Betrieb relativ schmalbandig, so daß Abweichungen zwischen der Eigenschwingungsfrequenz
des Wandlers und der Frequenz der elektrischen Anregungsspannung zu Leistungsminderungen und Verringerungen des
Wirkungsgrades führen. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß Piezokeramikmaterial einer mehr oder weniger
Bts 1 BIa / 9.5.1977
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starken, zumindest aber nicht vernachlässigbaren Alterung — insbesondere
auch seiner Polarisation — unterliegt, und zwar mit dem Ergebnis von Änderungen der Eigenresonanzfrequenz.
Über die vorgenannten materialspezifischen Gründe hinaus sind über die technische Serienanwendung Resonanzfrequenzabweichungen
zu berücksichtigen, die in der Exemplarstreuung serienmäßig hergestellter Ultraschall-Wandler liegen, selbst wenn große
Sorgfalt bei deren Herstellung angewandt wird.
Weitere Ursachen für Resonanzfrequenzänderungen sind Verschmutzung
und/oder Befeuchtung des Wandlers.
Darüber hinaus haben Anwender von Ultraschall-Sendewandlern mit Schwierigkeiten zu kämpfen, die sich aus Streuungen, Toleranzen
und Alterungen von Bauteilen der elektronischen Anregungsschaltung ergeben, nämlich weil die Alterungscharakteristil^ der
Keramikwandler einerseits und der elektronischen Bauelemente andererseits völlig verschieden sein können und zu unterschiedliehen
Frequenzveränderungen führen.
Es ist mithin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung für die Anregung eines Ultraschall-Sendewandlers
zu finden, die die voranstehenden Nachteile behebt, insbesondere Alterung der Keramik, Exemplarstreuung in der Serienfabrikation
der Wandler und Empfindlichkeit gegen Toleranzen der elektronishen Schaltung unkritisch macht.
Diese Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff angegebenen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen
des Patentanspruches 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine z.B. an sich bekannte elektronische Schaltungsanordnung zur elektrischen
Anregung eines Ultraschall-Wandlers zu ergänzen, so daß diese
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- *j- 77 P 70 U BRD
ergänzte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zusammen mit dem Ultraschall-Wandler in der Lage ist, selbsttätig einen Resonanzfrequenzwert
für günstige Anregung zu finden, und zwar für einen vom Anwender vorgegebenen, für geeignet gehaltenen Schwingungs-Mode
des Wandlers. Der Schwingungs-Mode kann dabei ein Grundresonanz-Mode
oder auch ein Oberwellenresonanz-Mode sein, z.B. für einen Dickenschwinger, einen Längsschwinger, einen Biegeschwinger
oder dergleichen.
Machfolgend soll die Grundidee der Erfindung der Einfachheit
halber an dem mit Fig.1 wiedergegebenen Prinzipschaltbild nach Art eines Flußdiagrammes erläutert werden.
In Fig.1 ist mit 30 der Ultraschall-Sendewandler bezeichnet.
Dieser kann im Einzelfall auch Ultraschall-Empfangswandler sein, nämlich in den Pausen zwischen Ultraschall-Sendeimpulsen.
Die elektrische Anregung des Sendewandlers 30 erfolgt mit einer Oszillatorwechselspannung, die von einem Oszillator·133 erzeugt
wird. Aus dieser Oszillatorwechselspannung werden in der Torschaltung 42 entsprechend der Taktsteuerung eines mit der Torschaltung
verbundenen Sendetaktgenerators Sendeimpulse erzeugt, die nach Verstärkung in einem Leistungsverstärker 44, wie aus
der Fig.1 ersichtlich, dem Sendewandler 30 entsprechend impulsmäßig zugeführt sind.
Eine solche wie voranstehend beschriebene Schaltungsanordnung für die impulsgetaktete Sende-Wechselspannung ist bekannt und
beispielsweise in der Schaltungsanordnung der Patentanmeldung P (VPA 77 P 7046) enthalten.
Nachfolgend werden die erfindungsgemäß vorgesehenen weiteren Schaltungsteile beschrieben, durch deren zusätzliches Vorhandensein
die der vorliegenden Erfindung zugrunde gelegte Aufgabe gelöst wird. Mit 51 ist ein taktweise steuerbarer Vorimpuls-Generator
bezeichnet, mit dem vorzugsweise über den Verstärker
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- * - 77 P 7 O Ί 8
<ο
44 dem Sendewandler zuzuführende Vorimpulse erzeugt werden. Sinn dieses Vorimpuls-Generators ist, zwischen zwei auf den
Sendewandler 30 gelangenden Betriebs-Sendeimpulsen der Torschaltung 42, und zwar zeitlich relativ dicht vor einem solchen
Betriebs-Sendeimpuls, dem Sendewandler einen oder mehrere Vorimpulse
zuzuführen, der oder die in ihrer Höhe und Dauer ausreichend sind, den Sendewandler 30 zu einer Resonanzschwingung anzustoßen.
Nach diesem Anstoßen des Sendewandlers 30 erfolgt ein Ausschwingen des Wandlers, und zwar mit einer für das spezielle
Wandlerexemplar unter den im Augenblick speziell vorliegenden Bedingungen typischen Resonanzschwingungsfrequenz. Damit
der Sendewandler im Betriebsfall auf der Resonanz des vorgegebenen Schwingungs-Mode schwingt, wird die Frequenz der Oszillatorwechselspannung
wenigstens angenähert gleich der Resonanzfrequenz dieses Schwingungs-Mode gemacht. Damit auch das Anstoßen
durch den erfindungsgemäf3en Vorimpuls zu diesem vorgegebenen Schwingungs-Mode führt, wird die Trägerfrequenz dieses
Vorimpulses und/oder bei einer Folge mehrerer Vorimpulse deren jeweiliger Zeitabstand voneinander so gewählt, daß eine wenigstens
weitgehende Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz des Wandlers 30 für den vorgegebenen Schwingungs-Mode besteht. Damit
ergibt sich bereits eine weitgehende Übereinstimmung einer Periodizität der Vorimpulse mit der Periodizität der Oszillatorwechselspannung
des Oszillators 233.
Das gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgesehene Ausschwingen des Oszillators kann am elektrischen Eingang des Sendewandlers
30 in Form eines elektrischen Wechselspannungssignals abgenommen werden, weil der Sendewandler 30 nicht nur ein elektromechanischer
Wandler, sondern auch in reziproker Weise bekanntermaßen ein mechanisch-elektrischer Wandler (Empfangswandler) ist. Dieses
im Verlauf der Dauer des selbständigen Ausschwingens des Sendewandlers abgenommene elektrische Signal wird dem Phasendiskriminator
132 zugeführt, dem außerdem Oszillatorwechselspannung des Oszillators 233 zugeführt wird. Vom Phasendiskriminator 132
wird die gegenseitige Phasenlage dieser beiden zugeführten Signale verglichen und ein Vergleichersignal über einen Verstärker
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einer weiteren Torschaltung 53 zugeführt. Diese Torschaltung 53 hat im wesentlichen Unischalt funkt ionen, wie dies in der
Fig.1 symbolisch dargestellt ist. Die in Fig.1 eingetragene
Schaltverbindung der Torschaltung 53 gehört zu einem Zeitpunkt, in dem vom Phasendiskriminator 132 über den Verstärker und
diese Torschaltung 53 ein Signal direkt an den Eingang 56 des
Oszillators 233 gelangt. Mit diesem am Anschluß 56 auftretenden
elektrischen Signal kann der Oszillator 233, der z.B. ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) ist, bezüglich seines
Frequenzwertes der Oszillation gesteuert werden.
Der Oszillator 233 läßt sich somit gemäß der Erfindung derart steuern, daß seine Oszillatorfrequenz auf den Frequenzwert der
Eigenresonanzfrequenz des Sendewandlers 30 während des Ausschwingens nachgeregelt wird. Damit diese Frequenzsteuerung
des Oszillators 233 auch in den Zeitintervallen erfolgt, in
denen kein eigenes Ausschwingen des Sendewandlers 30 vorliegt, d.h. auch während der Anregung durch den Betriebs-Sendeimpuls
der Torschaltung 42, ist ein Speicher 55 vorgesehen, der das
jeweilige Ausgangssignal des Phasendiskriminators 132 speichert.
In diesen Speicher 55 gelangt dieses Signal über die Beladeschaltung 54. Diese Beladeschaltung kann eine einfache galvanische
Verbindung zwischen dem Schaltungspunkt 56 und dem Eingang des Speichers 55 sein. Während der erwähnten übrigen
Intervalle ist die Torschaltung 53 umgeschaltet, so daß vom Speicher 55 weiterhin ein dem Ausgangssignal des Phasendiskriminators
132 entsprechendes Signal an den Oszillator 233 gelangt.
Der Speicher 55 kann ein einfacher Kondensator sein, da das Ausgangssignal des Phasendiskriminators 132 im üblichen praktischen
Falle ein Gleichspannungssignal ist.
Die zeitliche Aufeinanderfolge der einzelnen Abläufe, d.h. die Zuführung der Vorimpulse, dann die Signalabnahme am Wandler 30
mit Signalzuführung in den Phasendiskriminator 132, das Umschalten
der weiteren Torschaltung 53 und das Ansteuern des Sende-
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taktes 142 bzw. der Torschaltung 42 geht von einem zentralen
PLL(phase locked loop)-Taktgenerator 145 aus, wie dies schematisch
in Fig.1 angedeutet ist.
Einer besonderen Weiterbildung der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die frequenzmäßige Steuerung des Oszillators 233 bzw.
der Oszillatorwechselspannung für den Sendewandler von z.B. statistischen Schwankungen unabhängig zu machen, die für einzelne
Abfragevorgänge des Frequenzwertes des Ausschwingens des Sendewandlers
auftreten können. Das erfindungsgemäße Prinzip der Eigensteuerung soll jedoch nicht verlassen werden. Der Lösung
dieser Aufgabenergänzung liegt der Gedanke zugrunde, momentan immer nur eine teilweise Frequenznachführung vorzusehen, die proportional
zum Signal am Ausgang des Phasendiskriminators 132 jeweils
während der Abfragedauer herrschenden Ausgangssignales ; ist. Statistische Einzelwerte kommen damit nicht zur Geltung,
wohingegen Änderungstendenzen nach wie vor erfaßt bleiben.
Eine einfache Ausführungsform dieser Weiterbildung besteht, wie
aus der Teilfig.ia zu ersehen ist, darin, daß für den Fall, daß der Speicher 55 ein Kondensator C1 ist, anstelle einer wie oben
beschriebenen galvanischen Verbindung die Beladeschaltung 54 als Widerstand realisiert wird. Dieser Widerstand R wird so bemessen,
daß sich:
k-R.C1 = CA ergibt,
k-R.C1 = CA ergibt,
wobei £A die Abfragedauer während des Ausschwingens des Wandlers
ist und k das wählbare Maß für die nur teilweise Frequenznachführung während jeweils eines Zyklus ist. Zu bevorzugende Werte
für k liegen zwischen k = 0,01 und k = 0,1.
Die vom Schaltungspunkt 56 ausgehende Einspeicherung in den Speicher
55, d.h. die Änderung seines augenblicklichen Speicherzustandes, erfolgt dann somit über diesen Widerstand der Beladeschaltung
54 in gedämpfter, aber dennoch proportionaler Weise,
so daß Phasendiskriininator-Ausgangssignale einzelner extremer
Frequenz- bzw. Phasenabv/eichungen (die während der Abfragedauer
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-3 -
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7\ von z.3, zehn Schwingungsperioden stattfinden) zwischen Wechselspannung
des Ausschwingvorganges und Oszillatorwechselspannung in nur erheblich (um den Faktor k) abgeschwächter Wirkung
im Speicher 55 aufgenommen werden. Die bei diesem Zyklus erfolgende
Steuerung des Oszillators 233 am Eingang 56 bewirkt dann keine unerwünscht sprunghafte Änderung der Frequenz der Oszillatorwechselspannung,
die zu wiederum sprunghafter Änderung derjenigen Phase führen würde, die bei Vergleich des folgenden Zyklus
am Phasendiskriminator 132 anliegt.
Eine andere Ausführungsform der Weiterbildung zur Lösung dieser Aufgabenergänzung gibt die Teilfigur 1b an. Dort ist die Beladeschaltung
als Kondensator Cp gegen Masse (ohne dauernde galvanische Verbindung mit dem Speicher 55), sondern jeweils kurzzei-
tig über die weitere Torschaltung 53 parallel zum Kondensator C1 des Speichers 55 realisiert. Einzelne extreme Ausgangssignale
des Phasendiskriminators 132 treten zwar am Kondensator C0 auf,
werden aber beim Übertragen auf den um den Faktor £ größeren Kondensator
C. ebenfalls proportional abgeschwächt, so daß auch bei dieser Weiterbildung der Ladezustand des Speichers 55 keine
extremen Änderungen erfährt. Cp wird dazu z.B. 100-mal kleiner
als C^ gewählt.
Die beiden voranstehend erwähnten Weiterbildungen sind insbesondere
für den nachfolgend erläuterten speziellen Anwendungsfall
einer wie erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung von besonderem Interesse. Dieser spezielle Anwendungsfall besteht darin, die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Frequenz-Selbststeuerung des Ultraschall-Sendewandlers in der Schaltungsanordnung
der schon erwähnten P (VPA 77 P 7046) anzuwenden.
Ein vollständiges Schaltbild einer einerseits der genannten Patentanmeldung entsprechenden, andererseits die vorliegende erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung enthaltenden Schaltung ist in allen Einzelheiten in der (auf zwei Blätter aufgeteilten)
Fig.2 angegeben.
Bezüglich ergänzender Erläuterungen von Schaltungsteilen, die
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in dieser erwähnten Patentanmeldung schon enthalten sind, sei auch auf die dortige ausführliche Beschreibung hingewiesen, die
hiermit zum ergänzenden Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht sein soll.
In der Schaltungsanordnung der Fig.2 ist der Sendewandler, der
vorzugsweise auch als Empfangsv/andler verwendet wird, mit 30 bezeichnet. Der Sendewandler erhält aus dem spannungsgesteuerten
Oszillator 233 (kenntlich gemacht durch die ihn umrahmende Linie) über die Torschaltung 42 und den Verstärker 44 sein impulsmäßig
getaktetes Anregungssignal. Die Torschaltung 42 wird vom Taktgenerator 142 gesteuert. Mit 145 ist der zentrale
PLL-Taktgenerator kenntlich gemacht. Mit 51 ist wiederum der Generator für die Vorimpulse bezeichnet. Mit 53 ist die weitere
Torschaltung, symbolisch mit Schaltern dargestellt, bezeichnet. Der mit 54 bezeichnete Widerstand ist die Beladeschaltung 54 der
Fig.1, und zwar in der ersten Alternative der erwähnten Weiterbildung.
Der Speicher ist der in Fig.2 ebenfalls mit 55 bezeichnete Kondensator. 56 gibt den Schaltungspunkt an, der der
Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators 233 ist.
Der noch in der Fig.1 angegebene Phasendiskriminator 132 ist in
der Schaltung der Fig.2 ebenfalls mit 132 bezeichnet. Für die
erfindungsgemäß vorgesehene Funktion als Phasendiskriminator wird in der Schaltung der Fig.2 ein Phasendiskriminator verwendet,
der während der eigentlichen Betriebsphasen der Schaltung der obengenannten älteren Anmeldung ebenfalls als Phasendiskriminator
verwendet wird, und zwar für den Phasenvergleich zwischen aufeinanderfolgenden Empfangssignalen, die auf Empfang
an einem Objekt reflektierter, zuvor ausgesandter Ultraschall-Strahlung beruhen. Erfolgt nämlich diese Reflexion ausgesandter
Ultraschall-Strahlung an einem bewegten Objekt, unterscheidet sich die jeweilige Phasenlage der EmpfangsSignaIe des Ultraschall-Empfangswandlers,
die auf jeweils reflektierten Anteilen der einzelnen aufeinanderfolgenden Ultraschall-Betriebs-Sendeimpulse
beruhen.
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Weitere Schaltungseinzelheiten der bereits in der obengenannten anderen Patentanmeldung beschriebenen Schaltung sind die Empfängerschaltung
31, in der der Phasendiskriminator 132 und eine Speicherschaltung 35 enthalten sind. Diese Speicherschaltung
35 ist beispielsweise eine "sample and hold"-Schaltung, an die Ausgangssignale des Phasendiskriminators 132 während eines Empfangssignales
reflektierter Ultraschall-Strahlung am Schaltungspunkt 37 gelangen. An dem Schaltungspunkt 36 liegt das Auslesetaktsignal
für die Speicherschaltung 35 an. Die Auswerteschaltung 38 (in der Figur rechts von der Empfängerschaltungs 31)
enthält eine Vergleicherschaltung 39, die hier im wesentlichen ein Transistor ist. Die logische Schaltung 40 bewirkt eine
Schwellenfunktion, zugehörig zu der Vergleicherschaltung 39. Am Schaltungspunkt 41 tritt das Ausgangssignal dieser hier dargestellten
Schaltungsanordnung, die die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einschließt, auf. Mit 46 ist der Anschluß für
die Versorgungsspannung von z.B. 12 Volt bezeichnet.
Die in der Fig.2 dargestellte Schaltung ist für die Verwendung
zur berührungslosen Steuerung eines Wasserhahnes, d.h. zur Steuerung dessen Magnetventils 43, geeignet. Sie ist nicht nur
gegen Fehlauslösung und sogar böswillige Störung gesichert, sondern sie ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ergänzung auch gegen
solche Störungen unempfindlich, die auf Alterung und Exemplarstreuung des Wandlers 30, der elektronischen Bauteile der
Schaltung und/oder auf Verschmutzung bzw. Befeuchtung oder Bespritzen des Wandlers zurückzuführen sind. Die oben angegebene
Weiterbildung, z.B. in der Alternative als Widerstand oder als weiterer Kondensator der Beladeschaltung 54, gewährleistet,
daß die Selbststeuerung der Anregungsfrequenz des Wandlers 30 gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung so behutsam und deren
Frequenzänderung so langsam erfolgt, daß diese Frequenzsteuerung nicht in den Phasenvergleich des Detektionsbetriebes der
Ereignisdetektion eingreift, nämlich den Phasenvergleich der Reflexionssignale aufeinanderfolgender Betriebs-Aussendeimpulse
nicht stört.
5 Patentansprüche
5 Patentansprüche
2 Figuren
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2 Leerseite
Claims (5)
1. Schaltungsanordnung, vorgesehen für einen in Resonanzschwingung
anzuregenden Ultraschall-Sendewandler, der auch die Eigenschaft hat, bei mechanischer Schwingungserregung eine
elektrische Wechselspannung abzugeben, mit einem Oszillator für die Sende-Anregungsoszillatorwechselspannung und mit einer
getakteten Torschaltung zum impulsweisen Zuführen der Oszillatorv/echselspannung
an den Sendev/andler, gekennzeichnet
durch einen in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator (231), durch einen mit dem Sendewandler (30) parallel zur
Anordnung aus Oszillator (231) und Torschaltung (42) verbundenen Yorimpulsgenerator (51), durch einen einerseits mit dem
Eingangsanschluß (130) des Sendewandlers (30) und andererseits mit dem Ausgangsanschluß des Oszillators (233) verbundenen
Phasendiskriminator (132), durch eine weitere Torschaltung
(53), die zwischen den Ausgangsanschluß des Phasendiskriminators
(132) und einen Steuereingang (56) des Oszillators (233) geschaltet ist, mit einem über eine Beladeschaltung (54) mit
dem Steuereingang (56) des Oszillators (233) verbundenen Speicher (55), der außerdem mit einem zweiten Eingang der weiteren
Torschaltung (53) verbunden ist, sowie mit einem PLL-Taktgenerator
(145), der zur jeweiligen Taktsteuerung mit dem Vorimpulsgenerator (51), mit der Torschaltung (42) und mit
der weiteren Torschaltung (53) verbunden ist, wobei die Taktgabe des PLL-Taktgenerators (145) so bemessen ist, daß in
einem Zyklus zunächst eine Taktgabe an den Vorimpulsgenerator (51) erfolgt, nach einer Pause für das impulserregte Anschwingen
und das selbsttätige Abschwingen des Sendewandlers (30) eine Taktgabe an die weitere Torschaltung (53) erfolgt, durch
die das Phasenvergleichssignal des Phasendiskriminators (132) über diese weitere Torschaltung (53) dem Steueranschluß (56)
des Oszillators (233) zugeführt ist und den Zyklus abschließend der Torschaltung (42) ein Takt für die Zuführung des Betriebs-Sendeimpulses
an den Wandler (30) gelangt, und wobei bei Nichtanliegen eines Taktes des PLL-Taktgenerators (145)
an der weiteren Torschaltung (53) der Speicher (55) über die
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weitere Torschaltung (53) mit dem Steuereingang (56) des Oszillators
(233) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß die Beladeschaltung (5A-) ein Widerstand ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet
dadurch, daß die Beladeschaltung (54) ein Kondensator (C2) ist und daß der Speicher (55) ein Kondensator (C-.) ist,
wobei der Kondensator (C^) klein gegenüber dem Kondensator {<Z
ist.
4. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Schaltungsanordnung nach Patent
(P ) (YPA 77 P 7046).
5. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 zur berührungslosen
Steuerung eines Wasserhahnes.
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Priority Applications (8)
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