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Elektronische Schaltung zur Hellig-
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keitssteuerung von Leuchtquellen Die Erfindung betrifft eine elektronische
Schaltung zur Helligkeitssteuerung von an einphasige Wechselspannung angeschlossenen
Leuchtquellen durch ein Triac-Stellglied nach dem Phasenanschnitsprinzip, bei der
das Triac-Stellglied durch eine integrierte Schaltung ansteuerbar ist, deren Ausgang
mittelbar auf das Triac-Stellglied einwirkt und deren die Ausgangsvariable beeinflussenden
Steuereingänge durch Schalteinrichtungen beeinflussbar sind, die mit der elektronischen
Schaltung eine Baueinheit bilden und/oder die sich in von der elektronischen Schaltung
räumlich weiter entfernten Nebenstellenbefinden und mit einem Kabel mit der elektronischen
Schaltung verbunden sind.
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Einrichtungen zur Helligkeitssteuerung von Leuchtquellen sind schon
seit langer Zeit bekannt. Um den Effektivwert des Laststromes und damit die einer
Leuchtquelle als Verbraucher zugeführte Leistung zu regeln, wendet man die sogenannte
Phasenanschnittsteuerung an. Die der Leuchtquelle zugeführte Leistung wird durch
den Zeitpunkt bestimmt, bei dem ein Steuerimpuls innerhalb jeder Halbwelle der Netzwechselspannung
einen Thyristor oder Triac zündet. Die gewUnschte Raumhelligkeit kann hierbei mittels
eines Dreh-oder Schiebewiderstandes eingestellt werden. Diese Dreh-oder Schiebewiderstände
sind meist unmittelbar mit einem
Schalter verbunden, mit dessen
Hilfe die Ein- bzw. Ausschaltung der gesamten Einrichtung und damit der Leuchtquelle
ermöglicht wird.
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Um den Bedienungskomfort auch in der Hausinstallationstechnik zu erhöhen,
ist bereits eine sonst nur bei Fernsehgeräten übliche Fernbedienungsvorrichtung
mittels Infrarot- oder Ultraschallwellen bekannt, bei der der Betriebszustand von
elektrischen Verbrauchern, wie z. B.
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die Helligkeit einer Leuchtquelle, bei entsprechender Schaltungsergänzung
durch einen Thyristor oder Triac nach dem Phasenanschnittsprinzip gesteuert oder
geregelt werden kann. Die Auswerte- und Ansteuerschaltung im Empfänger ist mit integrierten
und diskreten Bauelementen aufgebaut.
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Die Großintegrationstechnik erlaubt, elektronische Schaltungen zu
schaffen, die mit wesentlich kleineren Abmessungen sowie mit geringerem Strombedarf
auskommen. So ist bereits ein in P-MOS-Depletion-Technik hergestellter Dimmerbaustein
bekannt, der unter Hinzuschaltung von speziellen Fernsteuerbausteinen auch mittels
Ultraschall- oder Infrarotwellen fernbedienbar ist. 9m Normalfall erfolgt das Ein-und
Ausschalten sowie das Einstellen der gewUnschten Helligkeit über eine Sensortaste
oder über einen gleichberechtigten Nebenstelleneingang. Während die Sensortaste
sich unmittelbar in der Nähe des Dimmerbausteins befindet, ist die Taste der Nebenstelle
über ein Kabel mit dem Dimmerbaustein verbunden. Durch verschieden langes Berühren
der Sensorfläche wird das Ein- bzw. Ausschalten der Leuchtquellen und das Einstellen
der gewünschten Helligkeit erreicht. Das Einschalten erfolgt durch kurzes Antippen,
wobei die Leuchtquelle immer auf die Helligkeit geschaltet wird, die vor dem letzten
Ausschalten eingestellt war. Durch längeres Berühren der Sensorfläche wird nach
einer Erkennungszeit von 380 ms bis zu 400 ms ebenfalls eingeschaltet und
dann
von dem zuvor eingestellten Helligkeitswert aus weiter gesteuert. Die gesamte Steuerzeit
beträgt für einen vollen Durchlauf 7 Sekunden. Gesteuert wird so lange, bis die
Sensorfläche losgelassen wird. Durch kurzes Antippen wird die Leuchtquelle nach
Loslassen der Sensorfläche wieder ausgeschaltet. Diese Schalt- und Steuerfunktionen
können auch von einer oder mehreren Nebenstellen aus betätigt werden-, wobei am
Dimmerbaustein ein eigens dafür vorgesehener Nebenstelleneingang vorhanden ist.
Die Hauptstelle und die Nebenstelle srnd gleichberechtigt. In der Nebenstelle können
sowohl Taster als auch Sensorschalter angeschlossen werden. Der eine Pol des Tasters
liegt an Phase, während der andere Pol mit dem Nebenstelleneingang über ein Kabel
verbunden ist. Durch Betätigung des Tasters wird somit der Nebenstelleneingang mit
Phase verbunden. Die zum Nebenstelleneingang führenden Adern des Kabels besitzen
eine z. B. durch die Länge des Kabels, durch die Leitungsführung oder durch die
Art des Kabels vorgegebene Kapazität gegen Masse. Durch HF-Störungen, die über die
Netzleitung eingekoppelt werden, können Fehlfunktionen hervorgerufen werden. Man
unterscheidet bei einem zweiadrigen Kabel hierbei ganz allgemein Gleichtaktstörungen,
die von jeder der beiden Leitungen gegen Masse auftreten können, oder Differenztaktstörungen,
die zwischen den beiden Leitungen auftreten. Beide Störungsarten können erscheinen,
wenn z. B.
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Motoren ein- und ausgeschaltet werden. HF-Störungen werden als Spannung
zwischen Leitung und Masse induziert und treten dann innerhalb von Netzsystemen
als Gleichtaktstörungen auf. Durch Einschaltung von Kapazitäten zwischen den Leitungen
kann man bewirken, daß diese Störungsart sehr schnell abgeschwächt wird.
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Diese einfachste Art eines Endstörfilters ist jedoch schwierig festzulegen,
da man meist die entsprechenden Anschlußimpedanzen nicht kennt, die man aber für
die optimale Dimensionierung eines Endstörfilters kennen muß. Man muß daher den
Wert der Kapazität empirisch ermitteln und zwar jede Nebenstelle für
sich
allein. Verständlicherweise ist dies sehr umständlich und daher nachteilig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine elektronische
Schaltung der eingangsgenannten Art eine Schaltungslösung für die Nebenstelle zu
finden, bei der die Kompensationskapazität entfallen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer der Steuereingänge
in einer Nebenstelle durch eine Schalteinrichtung mittelbar mit dem Mp-Leiter verbunden
werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten werden nachfolgend für mehrere
Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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Von den Figuren zeigt Figur 1 ein Schaltbild einer Dimmerbaueinheit,
Figur 2 ein Schaltbild einer anderen Dimmerbaueinheit, Figur 3 ein Schaltbild einer
weiteren Dimmerbaueinheit.
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Das Schaltbild des ersten Ausführungsbeispieles ist in Figur 1 dargestellt.
Mit 1 ist eine integrierte Schaltung bezeichnet, die in P-MOS-Deplation - Technik
hergestellt ist. Um diese integrierte Schaltung nach Angaben des Herstellers betreiben
zu können, sind der Ausgang 2 über eine Kapazität 11 als Zeitglied an Phase gelegt.
Für eine interne Integrationsschaltung ist an dem Anschluß 3 eine gegen Phase geschaltete
Kapazität 10 erforderlich. Eine weitere Kapazität 9, die einerseits am Anschluß
4A andererseits an Phase liegt, dient
zusammen mit dem Widerstand
19 zur Erzeugung eines geeigneten Synchronisierungssignals für die interne Zeitbasis
der integrierten Schaltung.
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Wird ein-Steuervorgang ausgeführt, so sind im Ausgang 8 der integrierten
Schaltung netz synchrone Impulse vorhanden.
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Diese werden durch eine Verstärkerschaltung, die aus einem Transistor
2 und zwei Widerständen 3 und 4 besteht, verstärkt und an das Gate eines Triacs
21 geführt. Der Widerstand 4 dient hierbei zur Strombegrenzung für den Triac, wenn
der Transistor 2 durchgeschaltet ist. Der Widerstand 3 stellt einen Ableitwiderstand
dar.
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Wie es bei derartigen Schaltungen allgemein üblich ist, ist die Phase
durch eine Sicherung 22 abgesichert. Zur Entstörung der beim Schalten entstehenden
hochfrequenten Spannung ist vor dem Triac 21 noch eine Induktivität 20 geschaltet.
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Parallel zu beiden liegt eine Kapazität 64. An einer der Ausgangsklemmen
ist eine Lichtquelle 23 an den Np -Leiter geschaltet. Diese Ausgangsklemme ist über
die Serienschaltung eines Widerstandes 18 und einer Kapazität 17 an eine Leuchtdiode
15 geführt. Der Widerstand 18 dient als Vorwiderstand für den Ladekondensator 17,
wobei beide zur Stromversorgung verwendet werden. Die Leuchtdiode leuchtet ständig,
wenn die gesamte Schaltung am Netz liegt und damit betriebsbereit ist.
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Parallel zur Leuchtdiode 15 ist gegenpolig eine Schutzdiode 16 geschaltet,
die die Leuchtdiode vor einer zu hohen Sperrspannung schützen soll. Zur Stromversorgung
der Schaltung dienen noch die Zenerdiode 14, der Speicherkondensator 12 und die
Trenndiode 13. Die Anschlüsse 6 und 7 der integrierten Schaltung 1 sind untereinander
verbunden und liegen an der Speisespannung, die am Ausgang dieser Stromversorgungsschaltung
vorhanden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt
die Ausgangsspannung
etwa -15V bezogen auf Phase. Es wird hierbei nur die negative Halbwelle der Netzspannung
ausgenutzt. Durch Umpolung der Diode 13 und der Zenerdiode 14 kann auch eine auf
Phase bezogene positive Speisespannung erzeugt werden, falls dies für eine andere
integrierte Schaltung erforderlich sein sollte.
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Der Anschluß 5 der integrierten Schaltung wird als Sensoreingang bezeichnet
und er ist relativ hochohmig. Von diesem ist ein Schutzwiderstand 6 an die Zwischenverbindung
eines Spannungsteilers geführt, der aus den beiden Widerständen 5 und 7 besteht.
Der Widerstand 7 liegt an Phase, während der andere Widerstand 5 über ein Kabel
mit einer Nebenstelle 24 verbunden ist. In dieser Nebenstelle ist ein Taster 25
vorhanden, dessen einer Pol am Kabel und dessen anderer Pol am Mp -Leiter liegt.
Dadurch, daß der Taster 25 mit Mp -Leiter und nicht mit Phase verbunden ist, können
auch keine Störspannungen auf dem Kabel während der Betätigung des Tasters entstehen.
Bleibt der Taster geöffnet, so muß die Störspannung, die auf dem offenen Kabel induziert
wird, in die Größenordnung der Netzspannung kommen, dann erst wird bei der integrierten
Schaltung eine Fehlfunktion ausgelöst. Dies wird verhindert durch geeignete Dimensionierung
des Spannungsteilerverhältnisses. Die Größe der beiden Widerstände wird so festgelegt,
daß am Anschluß 5 der integrierten Schaltung mit Sicherheit die Schaltspannung,
die zum Schalten der integrierten Schaltung erforderlich ist, erreicht wird, wenn
in der Nebenstelle der Taster 24 betätigt wird. Nach Angaben des Herstellers der
integrierten Schaltung beträgt die Schalt spannung etwa -8V. Der Widerstand 5 wird
bei diesem Ausführungsbeispiel mit 270 kQ und der Widerstand 7 mit 12 kQ dimensioniert.
Der Widerstand 6 ist hochohmig. Bedingt durch den sehr niedrigen Eingangsstrom entsteht
an ihm nahezu kein Spannungsabfall.
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Wird der Taster 24 in der Nebenstelle gedrückt, so liegen am
Anschluß
5 der integrierten Schaltung für die Dauer einer Halbwelle gegenüber der Phase negative
Impulse an, deren Amplitude größer als die Schaltspannung ist. Am Anschluß 5 kann
aber auch ein statisches Signal, wie z. B. eine Gleichspannung, ein Schalten der
integrierten Schaltung bewirken.
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Hierzu ist ein Taster 8 vorgesehen, der den Anschluß 5 über den Schutzwiderstand
6 an die Speisespannung in Höhe von etwa -15V legt, die letztlich von Phase abgeleitet
ist und eine Art Bezugspotential darstellt. Dieser Taster 8 befindet sich räumlich
unmittelbar bei der gesamten elektronischen Schaltung.
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In Figur 2 ist das Schaltbild einer anderen Dimmerbaueinheit dargestellt,
deren Schaltung von der der Dimmerbaueinheit der Figur 1 abgeleitet ist. Das Schaltbild
der Figur 2 ist demnach eine Schaltungsvariante des Schaltbildes der Figur 1. Es
besteht ein Unterschied bezüglich der Schalteinrichtung, die sich räumlich unmittelbar
bei der gesamten elektronischen Schaltung befindet. Der Anschluß 6 der integrierten
Schaltung 1 ist über einen Widerstand 65 an die Spannung gelegt, die am Ausgang
der Stromversorgungsschaltung vorhanden ist. Diese beträgt auch hier etwa -15V.
Am Anschluß 6 ist noch eine Verbindung zur Phase geführt, die durch den Taster 66
unterbrochen ist. Am Anschluß 6 liegt bei Nichtbetätigung des Tasters 66 die negative
Spannung von etwa -15V.
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Wird der Taster nun betätigt, so nimmt der Anschluß 6 das Potential
an, das durch den Verlauf der Netzspannung bestimmt ist. Dies bedeutet, daß die
Schaltspannung von etwa -8V überschritten wird, so daß durch die integrierte Schaltung
für die Dauer der Betätigung des Tasters eine Ein- bzw. Ausschaltung oder Regelung
möglich ist. Die Wirkungsweise der üblichen Schaltung, insbesondere auch der Nebenstelle,
entspricht der der Figur 1.
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In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Kernstück ist der integrierte Schaltkreis 26, der zugleich Steuer- und Speicher-IC
darstellt und der als MOS-Großschaltkreis in p-Kanal-Technik hergestellt ist.
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Zur Betätigung der Helligkeitssteuerung sind drei Taster 36, 37 und
38 vorgesehen, denen die Funktionen Heller, Dunkler und EIN/AUS zugeordnet sind.
Die bei diesem Ausführungsbeispiel vorhandene Nebenstelle 45 wirkt nur auf die EIN/AUS-Funktion
ein. Grundsätzlich könnten mit einer Nebenstelle, die z.B. zwei zusätzliche Taster
aufweist, auch die anderen Funktionen beeinflusst werden, sofern man für jede der
Funktionen den gleichen Schaltungsaufwand betreibt, wie er in Figur 2 für die EIN/AUS-Funktion
betrieben wird.
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Wird einer der Taster 36 oder 37 gedrückt, so wird durch einen internen
455 kHz-Referenzoszillator ein programmierbarer Auf-und Abwärtszähler gesetzt. Der
halt dieses 6-bit-Zählers wird mit dem Inhalt eines 8-bit-Umlaufzähler verglichen,
der von einem mit der Netzfrequenz synchronisierbaren Referenzoszillator getaktet
wird. Eine Vergleichslogik liefert dazu am Anschluß 6 des integrierten Schaltkreises
26 Impulse.
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Diese Impulse sind in Abhängigkeit von der gewünschten Helligkeit
um 300 bis 1350 phasenverschoben gegenüber dem Nulldurchgang. Bei einer Phasenverschiebung
von 300 ist die Leuchtquelle voll eingeschaltet, während sie bei 1350 dunkel gesteuert
ist. Da die Leuchtstärke der Lichtquelle bei Phasenanschnittsteuerung nicht proportional
dem Anschnittwinkel ist, ist durch eine interne Kompensation eine Korrektur der
Steuerimpulse so vorgenommen, daß die in einem statischen MOS-Speicher abgespeicherten
64 Helligkeitsstufen eine annähernd lineare Helligkeitszunahme bewirken. Die 64
Helligkeitsstufen werden in etwa 5 Sekunden durchlaufen.
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Zur Frequenzstabilisierung der internen Referenzoszillatoren des integrierten
Schaltkreises 26 ist eine Beschaltung mit einem keramischen Filter 33 mit einer
Resonanzfrequenz von 455 kHz an den Anschlüssen 13 und 14 vorhanden. Ferner sind
an den beiden Anschlüssen je ein Kondensator 32 und 34 erforderlich, die am Bezugspotential
für den integrierten Schaltkreis 26 liegen. Für die EIN/AUS-Kontrolle wird am Anschluß
11 noch ein Kondensator 35 benötigt, der mit seinem dem Anschluß 11 abgewandten
Anschluß ebenfalls an dem positiven Bezugspotential, das hier +10V beträgt, liegt.
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Am Anschluß 10 des integrierten Schaltkreises 26 ist eine Leuchteinrichtung
in der Form einer Leuchtdiode 30 angeschlossen. Von der Anode der Leuchtdiode 30
und dem Anschluß 7 des integrierten Schaltkreises 26 ist eine zur Glättung der anliegenden
Spannung dienende Kapazität 31 an das positive Bezugspotential des integrierten
Schaltkreises 26 gelegt.
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Für die Dauer der Helligkeitsänderung stehen am Anschluß 6 des integrierten
Schaltkreises 26 netz synchrone Impulse mit einer Frequenz von 100 Hz. Dieser Ausgang
ist mit maximal 2 mA belastbar. Da dieser Strom für die meisten Triactypen nicht
ausreicht, wird der erforderliche Gatestrom einer Konstantstromquelle entnommen.
Diese besteht aus einem Transistor 48, dessen Basis mit dem Anschluß 6 des integrierten
Schaltkreises und über einen Widerstand 47 mit Phase verbunden ist.
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Ebenfalls mit Phase verbunden ist der Emitter über die Serienschaltung
zweier Widerstände 49 und 50. Die Zwischenverbindung ist an das Gate eines Triacs
63 geführt. Der Kollektor des Transistors 48 steht mit dem Ausgang einer Stabilisierungsschaltung
tn Verbindung. Diese setzt sich aus einem Hochvolttransistor 53, einem Widerstand
54, einer Kapazität 52 und einer Zenerdiode 51 zusammen. Der Transistor
ist
in Serie zur unstabilisierten Spannung geschaltet, wobei seine Basis über die Zenerdiode
mit Phase verbunden ist, so daß die Ausgangsspannung sich etwa auf die Zenerdiode
einstellt. Parallel zur Stabilisierungsschaltung liegt noch der Kondensator 55,
der zur Glättung der vor der Gleichrichterschaltung anliegenden Spannung dient.
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Diese Gleichrichterschaltung setzt sich aus einer Diode 56 und einem
in Serie mit dieser Diode geschalteten Schutzwiderstand 57 zusammen.
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Der Triac 63 ist zur Entstörung der beim Schalten entstehenden hochfrequenten
Störspannung mit einer Induktivität 59 und einer Kapazität 60 versehen, deren Dimensionierung
von der anzuschließenden Last abhängt. Damit die Störspannung weder in das Netz
noch in die Schaltung gelangen kann, ist die Induktivität in der Form einer Drossel
direkt hinter dem Triac geschaltet. An den Klemmen der Dimmerplatine ist eine Leuchtquelle
62 an eine einphasige Netzspannung angeschlossen, die über eine Sicherung 61 abgesichert
ist.
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Der im integrierten Schaltkreis 26 vorhandene Referenzoszillator benötigt
mit Netzfrequenz synchronisierte Impulse am Anschluß 2. Diese sind von der Klemme
abgenommen, an die die Leuchtquelle 62 angeschlossen ist, und über einen Hochohmwiderstand
58 an den Anschluß 2 des integrierten Schaltkreises geführt. Dieser Anschluß 2 ist
noch über eine Kapazität 29 und eine Diode 28 an Phase gelegt und außerdem über
einen Widerstand 27 an den Ausgang der Stabilisierungsschaltung. Die Diode 28 soll
die negative Netzspannungswelle begrenzen.
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Da am Ausgang der Stabilisierungsschaltung eine höhere Spannung zur
Verfügung steht als für die Versorgungsspannung
des integrierten
Schaltkreises 26 und der nachgeschalteten Leuchtdiode benötigt wird, ist in Serie
hierzu noch eine Zenerdiode 40 geschaltet.
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Wie bereits erwähnt, kann die EIN/AUs-Funktion, die mittels des Tasters
38 realisiert wird, auch durch eine Nebenstelle beeinflusst werden. Von dem Anschluß
3 ist daher ein Schutzwiderstand 39 und eine Gleichrichterschaltung, bestehend aus
einer Diode 43 und dem Strombegrenzungswiderstand 44, zu einer Klemme geführt, von
der aus eine Nebenstelle 45 mit einem Kabel verbunden istç In dieser Nebenstelle
ist ein Taster 46 vorhanden, dessen einer Pol mit dem Kabel und dessen anderer Pol
an dem Mp -Leiter liegt. Zur Siebung und Glättung der von der Gleichrichterschaltung
gelieferten Spannung ist noch ein Kondensator 41 an das Bezugspotential gelegt.
Parallel hierzu ist eine Klemmdiode 42 geschaltet, die die am Ausgang der Gleichrichterschaltung
vorhandene Spannung auf die Höhe des Bezugspotentials, in diesem Fall +10V, festhält.
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Nach Betätigung des Tasters 46 in der Nebenstelle liegt folglich am
Anschluß 3 der integrierten Schaltung 26 das Bezugspotential an. Nach Loslassen
des Tasters 46 baut sich das Potential über den Widerstand 39 und den inneren Widerstand
der integrierten Schaltung wieder ab. Man kann diesen Prozeß dadurch beschleunigen,
daß man von dem Anschluß 3 noch einen zusätzlich in Figur 3 nicht dargestellten
Widerstand gegen Phase schaltet.
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Durch Umpolung der Dioden 42 und 43 kann man auch hier die negative
Halbwelle der Netzspannung ausnutzen, falls dies für die integrierte Schaltung erforderlich
sein sollte.