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Elektrostatische Spritzvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Spritzvorrichtung, mit
einem an einen elektrostatischen Spritzkopf angeschlossenen Hochspannungsgenerator
und einer den Ausgangsstrom und/oder die Ausgangs spannung des Hochspannungsgenerators
steuernden Steuerschaltung.
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Bei derartigen elektrostatischen Spritzvorrichtungen wird die Farbe
bzw. das Beschichtungsmaterial durch Druckluft oder hydraulischen Druck über eine
Düse versprüht und mittels einer an den Hochspannungsgenerator angeschlossenen Elektrode
des Spritzkopfs elektrostatisch aufgeladen, so daß es in sehr feine Tröpfchen zerteilt
wird.
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Die Tröpfchen sind geladen und werden durch das elektrische Feld zwischen
der Elektrode des Spritzkopfs und dem zu lackierenden Gegenstand sehr gleichmäßig
über den Gegenstand verteilt. Die Lack- bzw. Beschichtungsmaterialverluste sind
sehr gering, da sich die Tröpfchen nur an dem geerdeten Gegenstand niederschlagen,
nicht
aber an ungeerdeten Gegenständen der Nachbarschaft.
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Die Feldverteilung ändert sich mit dem Abstand des Spritzkopfs von
dem Gegenstand. Ist der Abstand zu klein, so kann es zu einem Lichtbogen zwischen
dem Spritzkopf und dem Gegenstand kommen, der das meist brennbare Spritzmittel entzünden
kann. Aus der DE-OS 19 63 812 ist eine elektrostatische Spritzvorrichtung bekannt,
bei der an den Ausgang des Hochspannungsgenerators eine Kurzschlußeinrichtung angeschlossen
ist, die den Hochspannungsgenerator kurzschließt, wenn der von dem Hochspannungsgenerator
abgegebene Strom über einen kritischen Schwellwert ansteigt oder die Spannung am
Spritzkopf unter einen kritischen Schwellwert absinkt oder die Änderungsgeschwindigkeit
der Hochspannung über einen kritischen Schwellwert anwächst. Die Kurzschlußeinrichtung
wird von einer Meß- und Steuerschaltung gesteuert, die an die Hochspannungsseite
des Hochspannungsgenerators angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung ermöglicht
allerdings nur ein Notabschalten der Spritzvorrichtung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg zu zeigen, wie bei einer elektrostatischen
Spritzvorrichtung der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangs spannung nicht nur exakt voreinstellbar,
sondern auch so rasch geregelt werden kann, daß die Regelung die Funktion der Notabschaltung
mitübernimmt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hochspannungsgenerator
einen Wechselspannungsgenerator mit durch die Steuerschaltung regelbarer Ausgangsamplitude
oder regelbarem Halbwellenverhältnis der Ausgangsspannung sowie eine mehrstufige,
dem Wechselspannungsgenerator nachgeschaltete Gleichrichter-
Spannungsvervielfacherkaskade
aufweist und daß die Steuerschaltung zur Steuerung des Ausgangsstroms des Hochspannungsgenerators
an einen vom Eingangs strom der Kaskade durchflossenen Stromfühlerwiderstand und/
oder zur Steuerung der Ausgangs spannung der Kaskade an einem Potentialpunkt zwischen
zwei Stufen der Kaskade angeschlossen ist.
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Wesentlich hierbei ist, daß die Steuerung von Ausgangsstrom bzw. Ausgangs
spannung der Kaskade vollständig auf der Niederspannungsseite der Kaskade erfolgt.
Der Stromfühlerwiderstand liefert ein dem Eingangs strom und damit auch dem Ausgangsstrom
der Kaskade proportionales Signal. Die Spannung an dem Potentialpunkt zwischen zwei
Stufen der Kaskade; vorzugsweise der ersten und der zweiten Stufe, ist proportional
der Ausgangsspannung der Kaskade. Aufgrund der niederspannungsseitigen Regelung
läßt sich nicht nur ein rascheres Ansprechverhalten der Regelung erzielen; es lassen
sich auch Sicherheitsbestimmungen besser einhalten. Dies gilt umso mehr, je höher
die Frequenz des Wechselspannungsgenerators ist.
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Die Frequenz liegt vorzugsweise zwischen 5 und 50 KHz, am besten bei
etwa 20 KHz. Soweit insbesondere zur Hochspannungserzeugung Transformatoren benutzt
werden, verringert sich deren Größe bei derartig hohen Frequenzen erheblich.
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Die Steuerschaltung kann für unterschiedlichste Spannung-Strom-Kennlinien
konstruiert sein. Eine nahezu rechteckförmige Kennlinie erhält man dadurch, daß
die Steuerschaltung eine Spannungsregelschaltung sowie eine die Spannungsregelschaltung
übersteuernde Stromregelschaltung aufweist und daß die Stromregelschaltung eine
auf das Signal des Stromfühlerwiderstands ansprechende Schwellwertstufe aufweist,
die die Stromregelschaltung erst nach überschreiten des Schwellwerts freigibt.
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Beide Regelschaltungen lassen sich unabhängig voneinander dimensionieren
und vor allem einstellen. Während die Spannungsregelschaltung unterhalb des durch
die Stromregelschaltung festgelegten Schwellwerts konstant hält, hält die Stromregelung
bei Erreichen des durch den Schwellwert festgelegten Werts den Eingangsstrom und
damit den Ausgangs strom der Kaskade unabhängig von der Ausgangsspannung konstant.
Die Übersteuerung der Spannungsregelschaltung läßt sich am einfachsten dadurch erreichen,
daß die Ausgänge der beiden Regelschaltungen mit einem an den Wechselspannungsgenerator
angeschlossenen Summationspunkt verbunden sind, so daß die Summe der Ausgangssignale
beider Regelschaltungen gemeinsam den Wechselspannungsgenerator steuert. Nimmt bei
Annäherung des Spritzkopfs an den Gegenstand der Ausgangsstrom der Kaskade unzulässig
zu, so verringert die Stromregelschaltung nicht nur den Ausgangsstrom, sondern auch
die Ausgangsspannung der Kaskade. Die Stromregelschaltung verringert jedoch die
Ausgangsspannung in höherem Maß als durch die Spannungsregelschaltung ausgeglichen
werden könnte.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuerschaltung eine
sowohl auf die Spannung als auch auf den Strom der Kaskade ansprechende Regelschaltung
auf, wobei der Wechselspannungsgenerator abhängig von der Differenz des stromabhängigen
Signals und des- spannungsabhängigen Signals regelbar ist. Dies führt zu einer linear
abnehmenden Spannungs-Strom-Kennlinie, bei welcher die Ausgangs spannung der Kaskade
mit zunehmendem Ausgangsstrom abnimmt. Hierdurch wird erreicht, daß bei Annäherung
des Spritzkopfs an den zu lackierenden Gegenstand die Spannung kontinuierlich abnimmt.
Bei linearer Kennlinie nimmt die Spannung proportional zum Abstand ab, so daß die
Feldstärke unabhängig vom
Abstand konstant gehalten werden kann.
Eine linear abfallende Kennlinie kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden,
daß die Stromregelschaltung zwei in Serie geschaltete Differenzverstärker aufweist,
von denen der erste als invertierender Summationsverstärker für ein dem Eingangsstrom
der Kaskade proportionales Signal und ein Bezugssignal geschaltet ist und von denen
der zweite die Differenz des Ausgangssignals des ersten Differenzverstärkers und
eines dem Potential am Potentialpunkt proportionalen Signals bildet. Das Bezugssignal
bestimmt die Leerlaufausgangsspanung der Kaskade. Der Proportionalitätsfaktor des
dem Eingangsstrom der Kaskade proportionalen Signals bestimmt den Kurzschlußausgangsstrom
der Kaskade. Eine Änderung dieser Größen ist auf konstruktiv einfache Weise möglich.
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Der Wechselspannungsgenerator weist vorzugsweise einen Rechtecksignalgenerator
auf, an dessen Ausgang ein Hochspannungstransformator angeschlossen ist, welcher
die Kaskade speist. Der Stromfühlerwiderstand ist hierbei zweckmäßigerweise zwischen
der Sekundärwicklung des Transformators und Masse angeschlossen und befindet sich
damit auf niedrigem Potential. Der Transformator hat insbesondere bei mit höherer
Frequenz arbeitenden Wechselspannungsgeneratoren einen Ferritkern. Zur Erhöhung
seiner Ausgangs spannung bzw. gegebenenfalls zur Verringerung seiner Abmessungen
ist der Transformator als auf die Frequenz des Rechtecksignalgenerators abgestimmter
Resonanz trans formator ausgebildet.
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Die Regelung des Wechselspannungsgenerators erfolgt am einfachsten
dadurch, daß ein Rechtecksignalgenerator benutzt wird, dessen Ausgangs spannung
oder Tastverhältnis abhängig von dessen Betriebs spannung änderbar ist und daß die
Steuerschaltung ein die Betriebs spannung
des Rechtecksignalgenerators
lieferndes Netzgerät steuert. Im einfachsten Fall kann es sich bei dem Rechtecksignalgenerator
hierbei um einen Multivibrator oder dergleichen handeln.
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Im Betrieb sorgt die vorstehend erläuterte Steuerschaltung für ausreichende
Sicherheit beim Notabschalten. Um auch bei Defekt von Bauteilen der Spritzvorrichtung,
die die Funktion der Steuerschaltung beeinträchtigen, eine sichere Notabschaltung
zu erreichen, kann vorgesehen sein, daß der Wechselspannungsgenerator mittels eines
elektronischen Schalters abschaltbar ist, wobei an den Stromfühlerwiderstand eine
Abschaltsteuerung für den Schalter angeschlossen ist. Bei dem elektronischen Schalter
kann es sich um einen Thyristor handeln, der den Ausgang des Wechselspannungsgenerators
oder auch dessen Betriebsspannung kurzschließt. Die Abschaltsteuerung kann auf die
Amplitude des Stroms ansprechen und hierzu eine Stufe mit Schwellwertverhalten aufweisen.
Als günstig hat es sich auch erwiesen, wenn die Abschaltsteuerung eine Differenzierstufe
aufweist, die den Schalter abhängig von der zeitlichen Änderung des Eingangsstroms
der Kaskade steuert.
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Soweit Anzeigeinstrumente für den Ausgangsstrom bzw.
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die Ausgangsspannung der Kaskade vorhanden sind, so sind diese bevorzugt
über Trennverstärker an den Stromfühlerwiderstand bzw. den vorstehend erläuterten
Potentialpunkt zwischen den Stufen der Kaskade angeschlossen. Die Anzeigeinstrumente
sind damit lediglich niederspannungsseitig mit der Kaskade verbunden und zudem mittels
der Trennverstärker vom Potential der Hochspannungskaskade elektrisch isoliert.
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Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von
Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild
einer elektrostatischen Spritzvorrichtung; Fig. 2 ein Diagramm mit einer Spannung-Strom-Kennlinie
der Spritzvorrichtung, Fig. 3 eine Steuerschaltung zur Erzielung einer linear abfallenden
Spannung-Strom-Kennlinie; Fig. 4 eine Differenzierstufe für eine Abschaltsteuerung
der Spritzvorrichtung nach Fig. 1 und Fig. 5 ein Schaltbild einer Hochspannungskaskade
für die Spritzvorrichtung nach Fig. 1.
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Die in Fig. 1 dargestellte Spritzvorrichtung umfaßt einen mit 1 bezeichneten
Spritzkopf mit einer Düse 3, die das über eine Leitung 5 zugeführte Spritzmittel
unter Druck zerstäubt. Eine unter Hochspannung stehende Elektrode 7 lädt den entstehenden
Spritzmittelnebel auf und baut zwischen dem Spritzkopf 1 und dem zu beschichtenden,
geerdeten Gegenstand ein elektrisches Feld auf, welches die geladenen Nebelteilchen
an den Gegenstand zieht. Die Gleichhochspannung wird in einer Gleichrichter-Spannungsvervielfacherkaskade
9 erzeugt, die ausgangsseitig an die Elektrode 7 und eingangsseitig an eine Sekundärwicklung
1 eines Hochspannungstransformators 13 angeschlossen ist.
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Das andere Ende der Sekundärwicklung 11 ist über einen Stromfühlerwiderstand
15 an Masse angeschlossen und damit ebenfalls geerdet. Die mit 17 bezeichnete Primärwicklung
des Transformators 13 ist einerseits über einen Leistungstransistor 19 mit Masse
und andererseits mit einer Gleichspannungsquelle 21 verbunden. Der Leistungstransistor
19 wird von einem Rechtecksignalgenerator 23 gesteuert, dessen Rechteckamplitude
von der aus einem steuerbaren Netzgerät 25 zugeführten Betriebsgleichspannung abhängig
ist.
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Durch Ändern der Betriebsspannung des Netzgeräts' 25 kann die Splitude
von Strom und Spannung der Primarwicluna 17 und damit auch der Sekundärwicklung
11 gesteuert werden. Der Transformator 13 formt das Rechtecksignal in ein Sinuschselsignal
um.
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Der Stromfühlerwiderstand 15 liegt im Eingangstromkreis der Kaskade
9. Die am Stromfühlerwiderstand 15 abfallende Spannung ist proportional dem Eingangs
strom und damit dem Ausgangsstrom der Kaskade 9. Die Kaskade 9 weist mehrere hintereinander
geschaltete Spannungsvervielfacherstufen 27 auf, die die Ausgangsspannung des Transformators
13 auf den für den Betrieb des Spritzkopfs 1 erforderlichen Wert vervielfachen.
Zwischen der ersten und der zweiten Vervielfacherstufe 27 ist ein Spannungsfühlerwiderstand
29 angeschlossen, dessen anderes Ende mit Masse verbunden ist. Der Spannungsfühlerwiderstand
29 liefert ein dem Ausgangspotential der ersten Vervielfacherstufe 27 proportionales
Spannungssignal, welches zugleich auch proportional der Ausgangsspannung der Kaskade
9 ist. Die Spannungssignale der Fühlerwiderstände 15 und 29 werden einer Steuerschaltung
31 zugeführt, die ihrerseits die Ausgangsspannung des Netzgeräts 25 steuert.
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Der Spannungsfühlerwiderstand 29 ist hierzu mit einer Spannungsregelschaltung
33 verbunden, die für sich allein die Spannung an dem Potentialpunkt 35 und damit
die Ausgangsspannung der Kaskade 9 auf einen vorbestimmten Wert konstant hält. In
der Spannung-Strom-Kennlinie der Fig. 2 ist dieser Wert bei U0 eingezeichnet. Über
ein nicht näher dargestelltes Einstellglied kann der Wert der Spannung U0 am Ausgang
der Kaskade 9 eingestellt werden.
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Der Stromfühlerwiderstand 15 ist über eine Schwellwertstufe 37 an
eine Stromregelschaltung 39 angeschlossen.
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Das Ausgangssignal der Stromregelschaltung 39 wird in einer Summationsstufe
41 dem Ausgangssignal der Spannungsregelschaltung 33 überlagert und steuert gemeinsam
das Netzgerät 25. Die Stromregelschaltung 39 wird erst oberhalb eines durch die
Schwellwertstufe 37 festgelegten Stromwert zur Regelung freigegeben, wobei sie dann
die Spannungsregelschaltung 33 übersteuert. Der durch die Schwellwertstufe 37 festgelegte
Wert des Ausgangsstroms der Kaskade 9 ist in Fig. 2 bei Io einge-
zeichnet.
Bei Erreichen des Werts 10 wird der Ausgangsstromder Kaskade unabhängig von der
Ausgangsspannung konstant gehalten.
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Der Rechtecksignalgenerator 23 arbeitet bei einer Frequenz zwischen
etwa 5 und 50 KHz, vorzugsweise bei etwa 20 KHz. Der Transformator 13 kann, wie
in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist, durch einen beispielsweise der Primärwicklung
17 parallel geschalteten Kondensator 43 als Resonanztransformator ausgebildet sein,
so daß sich aufgrund der Resonanzüberhöhung eine höhere Ausgangsspannung der Kaskade
9 ergibt. Der Transformator 13 kann einen Ferritkern aufweisen; seine Abmessungen
sind aufgrund der hohen Betriebsfrequenz relativ klein.
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Der Stromfühlerwiderstand 25 und der Spannungsfühlerwiderstand 29
sind an Stellen mit geringer Spannung angeschlossen; sie liefern trotzdem dem Ausgangsstrom
bzw.
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der Ausgangsspannung der Kaskade 9 proportionale Signale und ermöglichen
eine rasche Regelung, die auch bei normalem Betrieb eine Notabschaltung ermöglicht.
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Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme kann ein Thyristor 45 vorgesehen
sein, der die Ausgangsspannung des Rechtecksignalgenerators oder dessen; Betriebsspannung
nach Masse kurzschließt, wenn die Spannung an dem Stromfühlerwiderstand 15 über
einen durch die Zündspannung des Thyristors 45 vorgegebenen Wert hinaus ansteigt.
Um diesen Schwellwert einstellen zu können, ist die Zündelektrode an den Abgriff
eines dem Stromfühlerwiderstand 15 parallel geschalteten Potentiometers 47 angeschlossen.
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Die Spannung an der Zündelektrode des Thyristors 45 bestimmt den maximal
zulässigen Ausgangs strom der Kaskade 9, der in Fig. 2 strichpunktiert bei Imax
eingezeichnet ist. Als weitere Sicherheitsmaßnahme kann eine Differenzierstufe 49
vorgesehen sein, welcher eingangsseitig
die Spannung am Stromfühlerwiderstand
15 zugeführt wird.
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Die Differenzierstufe 49 ist ausgangsseitig ebenfalls mit der Zündelektrode
des Thyristors 45 verbunden; sie zündet den Thyristor 45, wenn die zeitliche Änderung
der Spannung am Stromfühlerwiderstand 15 und damit die zeitliche Änderung des Eingangsstroms
der Kaskade 9 über dem durch die Zündspannung des Thyristors 45 bestimmten Wert
liegt.
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Die dem Eingangsstrom und damit auch dem Ausgangs strom der Kaskade
9 proportionale Spannung an dem Stromfühlerwiderstand 15 wird über einen Trennverstärker
51 einem Stromanzeigeinstrument 53 zugeführt, welches damit den Ausgangsstrom der
Kaskade 9 anzeigt. Ein die Ausgangsspannung der Kaskade 9 anzeigendes Instrument
55 ist über einen weiteren Trennverstärker 57 an den Spannungsfühlerwiderstand 29
angeschlossen. Die Trennverstärker 51 und 57 halten die Instrumente 53 und 55 vom
Potential der Kaskade 9 isoliert.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Steuerschaltung, die
an die Stelle der Steuerschaltung 31 in Fig. 1 treten kann. Während mit Hilfe der
Steuerschaltung 31 eine im wesentlichen rechteckförmige Kennlinie von Ausgangs spannung
und Ausgangs strom der Kaskade 9 erreicht werden kann, wird mit Hilfe der in Fig.
3 dargestellten Steuerschaltung eine linear zwischen der mit UO bezeichneten Leerlaufspannung
und dem mit 10 be-zeichneten Kurzschlußstrom abfallende Kennlinie erreicht. Die
linear abfallende Kennlinie ist in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet. Die Steuerschaltung
weist zwei in Serie geschaltete Differenzverstärker 61 und 63 auf, von denen der
Differenzverstärker 61 als Summationsverstärker geschaltet ist und zwei seinem invertierenden
Eingang zugeführte Signale summiert. Bei dem einen
Signal handelt
es sich um eine Bezugsspannung, die über ein Einstellglied 65 zugeführt wird und
die Leerlaufspannung U0 festlegt. Das andere Signal ist der Spannung am Stromfühlerwiderstand
15 (Fig. 1) proportional, wobei ein Einstellglied 67 den Proportionalitätsfaktor
und damit den Kurzschlußstrom 10 bestimmt. Der Differenzverstärker 63 bildet die
Differenz zwischen dem Ausgangssignal des an seinen invertierenden Eingang angeschlossenen
Differenzverstärkers 61 und der am nicht invertierenden Eingang zugeführten Spannung
des Spannungsfühlerwiderstands 29. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 63
steuert das Netzgerät 25 (Fig. 1).
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Fig. 4 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für die Differenzierstufe
49 in Fig. 1. Die Spannung an dem Stromfühlerwiderstand 15 wird über einen Serienkondensator
71 und einen Serienwiderstand 73 dem nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers
75 zugeführt Der Serienkondensator 71 und der Serienwiderstand 73 sind Bestandteil
eines Differenzierglieds, dessen Querzweig aus einem Einstellwiderstand 77 mit parallel
geschaltetem Kondensator 79 besteht. Der Querzweig des Differenzierglieds führt
vom nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 75 zum negativen Pol einer
Vorspannungsquelle. Der nicht invertierende Eingang ist darüberhinaus über eine
in Durchlaßrichtung gepolte Diode 81 und einen Widerstand 83 mit dem positiven Pol
einer Vorspannungsquelle verbunden. Der Widerstand 83 bildet den Strombegrenzungswiderstand
einer weiteren, in Durchlaßrichtung gepolten Diode 85, die zu dem negativen Pol
der Vorspannungsquelle führt. Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers
75 ist an den Verbindungspunkt zweier in Serie zwischen den positiven und den negativen
Pol der Vorspannungsquelle geschalteter Widerstände 87, 89 angeschlossen, die eine
Bezugsspannung
an den invertierenden Eingang legen. Der Ausgang des Differenzverstärkers 75 ist
über einen Widerstand 91 mit dem positiven Pol der Vorspannungsquelle und über eine
Schaltdiode 93 mit der Zündelektrode des Thyristors 45 verbunden.
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Fig. 5 zeigt die Schaltung einer herkömmlichen Cockraft-Walton-Diodenspannungsvervielfacherschaltung.
Bei Verwendung dieser Schaltung in der Spritzvorrichtung nach Fig. 1 wird die Sekundärwicklung
11 des Transformators 13 bei 95 angeschlossen. Der Spannungsfühlerwiderstand 29
ist an den Verbindungspunkt der an den Eingang 95 angeschlossenen Diode 99 mit der
in Vervielfacherrichtung nächstfolgenden Diode lol angeschlossen.
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Die in der Kaskade nach Fig. 5 benutzten Kondensatoren sind bei der
relativ hohen Frequenz der Spritzvorrichtung nach Fig. 1 klein und haben beispielsweise
Kapazitätswerte in der Größenordnung lo nF.
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L e e r s e i t e