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Mit einem Mikrocomputer gesteuertes Fernbedienungssystem
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Die Erfindung geht von einem Fernbedienungssystem nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 aus.
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Drahtlose Fernbedienungseinrichtungen werden bereits seit geraumer
Zeit für die Fernsteuerung von beweglichen Objekten, wie z.B. Kränen, Lokomotiven,
Modellflugzeugen, Spielzeugautos, Hebezeuge, Laufkatzen oder Förderschnecken verwendet.
Aber auch bei Geräten der Unterhaltungsindustrie, speziell bei Geräten mit erhöhtem
Bedienungskomfort, werden die verschiedenen kontinuierlich veränderbaren Einstellgrößen
oder die in diskreten Stufen veränderbaren Einstellgrößen, wie der Sendersuchlauf
und die Stationswahl, durch drahtlose Fernbedienung verändert. Ebenfalls bei medizinischen
Geräten, wie z.B. Röntgengeräten oder Operationstischen, werden in neuerer Zeit
Fernbedienungen eingesetzt. Man benutzt von einem Geber ausgestrahlte Fernbedienungssignale,
die in einem Empfangsteil in ein z.B. der gewählten Frequenz oder dem Code entsprechendes
Steuersignal umgewandelt werden. Neben Ultraschallsignalen werden zur Fernsteuerung
auch Infrarotsignale verwendet. Insbesondere in-letzter Zeit wird der Einsatz von
Fernbedienungssystemen in Mehrfachnutzung geplant.
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Diese Mehrfachnutzung kann sich z.B. auf die Bereiche Videotext, Bildschirmtext,
Bildschirmspiele, Heimcomputer, elektronische Programmvorwahl und Hi-Fi-Anlagen
erstrecken. Hierbei sollte das System so ausgelegt sein, daß die Fernsehbedienung
nicht mit der Hi-Fi-Anlage kollidiert, d.h. daß keine gegenseitige Beeinflussung
möglich ist.
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Aus der DE-Zeitschrift Funkschau 1978, Heft 8, Seite 323 bis 326 ist
bereits eine Infrarot-Fernbedienung bekannt, die mit der Pulsabstandscodierung arbeitet.
Es werden kurze,nichtmodulierte Impulse verwendet, wobei im Abstand T bzw. 2T zwischen
zwei Impulsen die Information 101 bzw. "L" liegt. Um Störimpulse optischer und elektrischer
Art auszuschalten, wird der Empfänger nach jedem empfangenen Impuls verriegelt.
Draufhin wird
ein Zähler gestartet, der den Eingang erst nach Ablauf
der Zeit T für eine definierte Fensterzeit wieder öffnet. Diese Fensterzeit macht
das System empfindlich gegen Gleichlauftoleranzen zwischen Sender und Empfänger.
Als Abhilfe wird die tatsächliche Zeit zwischen einem Startimpuls und dem ersten
Datenimpuls des Senders empfängerseitig gespeichert, so daß diese Sender-Taktfrequenz
die Fensterzeit steuert.
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Zusätzlich wird kontrolliert, ob das Befehlswort genau aus einer festgelegten
Anzahl von Impulsen besteht. Störimpulse werden durch diese Auswerteschaltung nach
Angaben des Herstellers hinreichend erkannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein von einem Mikrocomputer
gesteuertes Fernbedienungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen,
mit dem man bei einem System, abhängig von der Adresse, mehrere Geräte bedienen
kann und bei dem man gleichzeitig zwei Fernbedienungssysteme und in jedem System
bis zu zwei Funktionen in einem Raum ohne gegenseitige Beeinflussung betreiben kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachfolgend für ein Ausführungsbeispiel anhand
der Zeichnungen näher beschrieben.
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Von den Figuren zeigt Figur 1 ein Blockschaltbild eines Fernbedienungssenders,
Figur 2 ein Schaltbild des Fernbedienungssenders, Figur 3 ein Blockschaltbild eines
Fernbedienungsempfängers, Figur 4 ein Schaltbild des Fernbedienungsempfängers, Figur
5 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Fernbedienungssystems
bei zwei gleichzeitig gedrückten Tasten,
Figur 6 ein Impulsdiagramm
zur Erläuterung eines Datenwortes, Figur 7 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der
Systeme I und II.
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Der in Figur 1 im Blockschaltbild dargestellte Fernbedienungssender
besteht aus einem Mikrocomputer 1, einer Eingabetastatur 2, einem Kodierschalter
3 für das Adressensystem, einer Power-on-Schaltung 31 mit Spannungsstabilisierung,
einer Endstufe 32 und einer Batterie UB. Kernstück des Senders stellt der Mikrocomputer
1 dar, der als Einchip-Mikrocomputer in CMOS-Technologie hergestellt ist. Bei Betätigung
einer Taste der Eingabetastatur wird die Power-on-Schaltung aktiviert und der Mikrocomputer
wird mit einer stabilisierten Spannung von + 5 V versorgt. Mit dem Anlegen der Versorgungsspannung
veranlaßt eine Reset-Schaltung den Programmstart des Mikrocomputers. Hierzu ist
am Anschluß 4 des Mikrocomputers 1 eine Kapazität 15 vorhanden, die über eine weitere
Kapazität 13 mit dem positiven Pol der Batterie verbunden ist. Der Anschluß 4 könnte
außerdem über eine von Hand zu steckende Brücke 16 mit dem Anschluß 39 verbunden
werden. Dies ist unter Umständen zu Prüfzwecken erforderlich, um den Programmablauf
des Mikrocomputers durch ein Zurücksetzen beeinflußen zu können.
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Zwischen den Anschlüssen 2 und 3 des Mikrocomputers 1 ist als weitere
äußere Beschaltung ein für eine stabile Frequenzerzeugung wichtiger Quarz 17 mit
einer Schwingfrequenz von 3 MHz angeschlossen.
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Die Anschlüsse 6, 40 und 26 sind miteinander verbunden und zum positiven
Pol der Batterie UB geführt. Dies bedeutet, daß der Mikrocomputer ständig am positiven
Pol liegt. Die Anschlüsse 39, 1, 20 und 7 sind ebenfalls miteinander verbunden und
liegen über die Kapazität 13 am positiven Pol der Batterie UB. Ferner sind an den
positiven Pol über die Kapazität 13 fünf einpolige Kodierschalter 3 angeschlossen,
von denen vier der Adressenkodierung H bis E dienen und einer der Kodierschalter
eine Systemumschaltung bewirkt. Die Adressenkodierschalter sind jeweils an einem
Anschluß zusammengeschaltet, während die anderen Anschlüsse getrennt- an die Anschlüsse
16 bis 19 des Mikrocomputers 1 geführt sind. Mit Hilfe der Adressenkodierschalter
ist es möglich, bis zu 16 verschiedene Geräte innerhalb eines geschlossenen Raumes
fernbedienen zu können. Hierbei müssen Sender und Empfänger auf diese 16 verschiedenen
Adressen umgeschaltet werden. Mit dem
Kodierschalter zur Systemumschaltung,
dessen einer Pol an dem gemeinsamen Verbindungspunkt der anderen Kodierschalter
liegt und dessen anderer Pol an den Anschluß 15 geführt ist, können die Codewörter
so verändert werden, daß in einem Raum zwei Infrarotfernbedienungssysteme mit beliebiger
Adressierung gleichzeitig, ohne jegliche gegenseitige Störung oder Beeinflussung,
betrieben werden können.
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An den Anschlüssen 21 bis 24 und 27 bis 38 des Mikrocomputers 1 befindet
sich jeweils ein Pol der einpoligen Tasten der Eingabetastatur 2. Eine Entprell-Routine
im Mikrocomputer sorgt für ein fehlerfreies Einlesen der Befehle von der Tastatur.
Wird eine Taste gedrückt, so wird etwa alle 100 ms ein Wort gesendet (siehe auch
Figur 5). Die anderen Pole jeder Taste sind miteinander verbunden und über die Widerstände
4 und 5 an den negativen Pol der Batterie UB geführt. Der Vorwiderstand 4 liegt
etwa in der Größe von 1/10 des Eingangswiderstandes des Tasten-Anschlusses des Mikrocomputers.
Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 4 und 5 ist an die Basis eines Schalttransistors
9 geführt, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor über einen Widerstand
8 und eine Zenerdiode 7 als Referenzelement an dem positiven Pol der Batterie UB
angeschlossen ist. Der Widerstand 5 dient hierbei zur Sicherung, daß der Schalttransistor
9 ausgeschaltet bleibt, wenn keine der Tasten gedrückt ist.
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Parallel zur Batterie UB ist eine Diode 6 vorgesehen, die als Verpolungsschutz
dient. Da der Mikrocomputer eine Versorgungsspannung von etwa 5 V benötigt, wurde
eine Zenerdiode mit einer etwas höheren Zenerspannung von 5,6 V ausgewählt. Parallel
zur Zenerdiode 7 liegt ein Siebkondensator 10.
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Die an der Zenerdiode liegende Spannung ist an die Basis eines Transistors
11 geführt, der die Spannung in Längsregelung stabilisiert. Der Kollektor des Transistors
11 liegt an Masse, während der Emitter mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der
Adressen-Kodierschalter 3 verbunden ist. Zwischen dem Emitter und dem positiven
Pol der Batterie befinden sich zur Siebung zwei Kondensatoren 12 und 13.
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Um die Ausgangsleistung des Infrarotlichtes zu erhöhen, sind in der
Endstufe 32 zwei Leuchtdiodenreihen 29 und 30 parallel geschaltet. Jede dieser Leuchtdiodenreihen
liegt in Reihe mit einem als Stromquelle wirkenden Leistungsschalttransistor 25
bzw. 28 und je einem Widerstand 26 bzw. 27. Die Parallelschaltung erfolgt dabei
so, daß die Anode der Leuchtdiodenreihe an dem positiven Pol der Batterie liegt
und die Kathode an den
Kollektor des Leistungsschalttransistors
25 bzw. 28 geführt ist. Der jeweilige Emitter liegt über den Widerstand 26 bzw.
27 und einem gemeinsamen Widerstand 14 am negativen Pol der Batterie UB. Zwischen
dem Widerstand 14 und dem positiven Pol der Batterie ist noch ein Siebkondensator
18 geschaltet. Die Basis jedes Schalttransistors 25 bzw. 28 wird von dem Emitter
eines als Impedanzwandler wirkenden Transistors 24 angesteuert.
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Der Kollektor des Transistors 24 liegt an dem positiven Pol der Batterie.
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Die Basis des Transistors 24 steht mit dem Kollektor eines als Stromquelle
geschalteten Transistors 23 in Verbindung. Dieser Kollektor liegt über die Parallelschaltung
einer Zenerdiode 20 und eines Widerstandes 21 an dem gemeinsamen Verbindungspunkt
der beiden Widerstände 26 und 27. Der Emitter des Transistors 23 ist über einen
Widerstand 22 mit dem positiven Pol der Batterie verbunden. Die Basis des Transistors
23 erhält ihre Ansteuerung über den Widerstand 19 von dem Anschluß 12, dem Ausgang
des Mikrocomputers.
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Ist keine der Tasten der Eingabetastatur gedrückt, so ist der Transistor
9 über den Widerstand 5 sicher gesperrt. Der Mikrocomputer liegt somit nur am positiven
Pol der Batterie. Wird jedoch eine der Tasten gedrückt, so schaltet der Transistor
9 durch und über die Stabilisierungsschaltung gelangt die von dem Referenzelement,
der Zenerdiode 7, abgeleitete Spannung an den Mikrocomputer, wobei die 5 V Versorgungsspannung
bezogen auf das Potential am positiven Pol der Batterie ist. Am Ausgang des Mikrocomputers
erscheint ein Codewort in Form von mehreren Impulspaketen. Für die Dauer eines Impulses
öffnen die Transistoren 23, 24, 25 und 28 und es fließt ein entsprechender Strom
durch die Leuchtdioden. In der Impulspause sind alle Transistoren gesperrt.
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Das Infrarotsignal wird mit einem separaten, in den Figuren nicht
dargestellten Vorverstärker mit Hochpaßcharakteristik empfangen und dort in elektrische
Impulse mit TTL-Pegel umgewandelt. Dieser Vorverstärker kann bis zu 50m von dem
eigentlichen Empfänger entfernt sein. Ober ein Kabel werden die Signale vom Vorverstärker
zu dem in Figur 3 im Blockschaltbild dargestellten Empfänger geführt. Dort werden
in einer Impulsformerstufe 33 die Signale regeneriert und einem in CMOS-Technik
hergestellten Mikrocomputer 34 zugeleitet. An den Mikrocomputer schließen sich Treiberstufen
35 für die nachfolgende Ausgabeeinheit 36 in Form von Relais an. Der Empfänger verfügt
über ein eigenes Netzteil 38. Außerdem ist noch ein Kodierschalter 37 vorhanden,
dessen Funktion später noch erläutert werden soll.
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Das Netzteil besteht aus einem Transformator 39, dessen Primärseite
an Netzspannung liegt. Sekundärseitig sind zur Gewinnung von den beiden Versorgungsspannungen
8 und 18 V zwei Gleichrichterbrücken 40 und 41 angeschlossen. Die am Ausgang der
einen Gleichrichterbrücke 40 abgreifbare Spannung wird durch einen parallelgeschalteten
Kondensator 42 gesiebt und geglättet und einer Stabilisierungsschaltung in Form
des integrierten Schaltkreises 43 zugeführt. Parallel zum Ausgang liegt noch ein
Kondensator 44. Die so erhaltene Spannung ist zum integrierten Schaltkreis 53, der
im wesentlichen die Impulsformerstufe darstellt, und zum Mikrocomputer 34 geführt.
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Ober die beiden Kondensatoren 45 und 46 ist ein Brückenzweig der zweiten
Gleichrichterbrücke 41 mit Masse verbunden. Auch deren ausgangsseitig abnehmbare
Spannung wird durch eine Stabilisierungsschaltung in Form eines integrierten Schaltkreises
47 stabilisiert. Parallel am Ausgang liegt ein Kondensator 48. Die zur Verfügung
stehende Gleichspannung von + 18 V dient zur Versorgung des externen Infrarotvorverstärkers.
Beim Einschalten der Versorgungsspannung bringt ein interner Einschaltreset alle
bistabilen Ausgänge des Empfängers in den AUS-Zustand.
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Von dem Infrarotvorverstärker gelangt das Signal über die Serienschaltung
eines Widerstandes 51 und einer Kapazität 52 und über einen Spannungsteiler, der
durch die beiden Widerstände 49 und 50 gebildet wird, an die integrierte Schaltung
53, die die Impulsformerstufe darstellt. Der Ausgang der integrierten Schaltung
53 ist direkt mit dem Anschluß 12 des Mikrocomputers 34 verbunden.
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r Der Empfänger kann durch je eine Taste 69 ein- bzw. ausgeschaltet
werden.
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Hierzu wird durch die Taste 69 Masse über je einen Widerstand 54 bzw.
55 an den Anschluß 13 bzw. 14 gelegt. Die Anschlüsse 13 bzw. 14 liegen außerdem
noch über je eine Kapazität 59 bzw. 60 an Masse und sie sind über je einen Widerstand
57 und 58 mit der Versorgungsspannung + 8 V verbunden.
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Xhnlich wie beim Mikrocomputer des Senders ist auch beim Mikrocomputer
34 des Empfängers als äußere Beschaltung zwischen den Anschlüssen 2 und 3 ein für
eine stabile Frequenzerzeugung wichtiger Quarz 63 mit einer Schwingfrequenz von
3 MHz vorgesehen.
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Der Reset-Anschluß 4 des Mikrocomputers liegt über eine Kapazität
62 an Masse. Außerdem kann dieser Anschluß durch eine Taste 61 an Masse gelegt werden,
so daß alle Ausgänge und Zähler in die Ausgangsstellung zurückgesetzt werden können.
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Die Ausgänge des Mikrocomputers sind mit Treiberstufen 35 und den
nachfolgenden Ausgabeeinheiten 36 verbunden. Jede Treiberstufe besteht aus einem
Transistor 66, dessen Basis über einen Widerstand 64 an den Ausgang des Mikrocomputers
geführt ist. Außerdem ist von der Basis ein Widerstand 65 an den Emitter gelegt,
wobei die Emitter aller Transistoren miteinander verbunden sind. Der Kollektor ist
zu der Ausgabeeinheit 36 in Form eines Relais 67 geführt. Um schädliche Induktionsspannungen,
die beim Abschalten der Relaiswicklungen entstehen, von den Transistoren fernzuhalten,
sind allen Wicklungen der Relais Dioden 68 parallel geschaltet. Während ein Anschluß
der einpoligen Relaiskontakte zu den in den Figuren nicht dargestellten Stellgliedern
führt, sind die anderen Anschlüsse untereinander verbunden. Anstelle der Relais
können auch Thyristoren und Triacs Verwendung finden.
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ähnlich wie beim Mikrocomputer des Senders verfügt auch der Mikrocomputer
34 des Empfängers über einen Kodierschalter 37, der aus fünf einpoligen Schaltern
besteht. Der eine Pol des Schalters ist zu den Anschlüssen 15 bis 19 des Mikrocomputers
34 geführt. Die anderen Pole sind miteinander verbunden und sie liegen über einen
Widerstand 56 an Masse. Von den fünf einpoligen Schaltern dienen vier der Adressendekodierung
und ein Schalter bewirkt eine Systemumschaltung. Da vier Adressenkodierschalter
vorgesehen sind, können Sender und Empfänger auf 16 verschiedene Adressen geschaltet
werden. Dies bedeutet, daß innerhalb eines Raumes bis zu 16 Geräte einzeln fernbedient
werden können,wobei jeder Sender mit seiner separaten Adresse nur den ihm zugeordneten
Sender anspricht. Eine gleichzeitige Obertragung an mehreren Infrarotstrecken kann
hier jedoch zur Unterbrechung des Informationsflusses führen, da die Empfänger die
fremdadressierten Impulspakete als Störung werten und somit eine Befehlsausgabe
verhindern. Eine gleichzeitige störungsfreie Obertragung auf zwei Infrarotstrecken
innerhalb eines Raumes ist möglich, wenn diese mit unterschiedlichen Systemen arbeiten.
Hierzu dient der fünfte Schalter.
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In dem Impulsidagramm in Figur 5 ist die Befehlsausgabe dargestelttz
insbesondere dann, wenn zwei Tasten gleichzeitig gedrückt werden. Wird eine Taste
gedrückt, so wird ca. alle 100 ms ein Impulsrahmen (Wort) ausgesendet. Hierzu werden
die Tasten durch einen Abfrageimpuis abgefragt, wobei der Abfrageimpuls ca. alle
50 ms erscheint. Ist zunächst nur die Taste A gedrückt, so erscheint in der ersten
Worthälfte in der Befehlsausgabe innerhalb der ersten 50 ms ein Impuls A. In der
zweiten Hälfte des Wortes, d.h. in den nächsten 50 ms erscheint kein Impuls in der
Befehlsausgabe. Wird jedoch gleichzeitig zur Taste A noch die Taste B gedrückt,
d.h. zwei Funktionen bei der gleichen Adresse betätigt, so erscheint auch in der
zweiten Hälfte des Wortes ein Impuls B in der Befehl sausgabe.
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Figur 6 zeigt den Aufbau eines Wortes. Die digitale Information liegt
im seitlichen Abstand der ersten Vorderflanken von benachbarten Impulspaketen. Wie
diese sich zusammensetzen, ist in Figur 7 dargestellt. Eine logische "L" entspricht
dem Abstand von 2,88 ms und eine logische "0" entspricht dem von 4,8 ms. Die ersten
vier Bit sind dem Befehl zugeordnet.
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Die anschließenden vier Bit stellen die Adresse dar, entsprechend
den vier Adressenkodierschaltern. Um kurze Ansprechzeiten zu gewährleisten, wird
auf einen Doppelwortvergleich verzichtet, jedoch ist zur Codesicherung jedem Wort
ein Paritybit hinzugefügt.
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Wie aus Figur 7 zu entnehmen ist, besteht das Impulspaket des Systems
I aus sechs gleichen Impulsen mit einer Breite von 10 ps und einem gleichen Abstand
von 40 us gemessen von Vorderflanke zu Vorderflanke. Der Abstand der Impulse kann
innerhalb eines Impulspaketes durch den Systemschalter von 40 us auf 240 ps, wiederum
gemessen von Vorderflanke zu Vorderflanke, erhöht werden. Man erhält dann das System
II. Strahlt parallel zu einem Sender nach System I ein weiterer Sender nach System
II ab, so kann bei beiden Signalen nur jeweils ein Impuls des Impulspaketes verfälscht
werden.
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Da in dem Empfänger pro Impulspaket zwei fehlerhafte Impulse zugelassen
sind, wird eine gegenseitige Störung von System I und System II verhindert.
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Es ist somit möglich, gleichzeitig zwei Systeme in einem Raum ohne
jegliche Beeinflussung zu betreiben. Gleichzeitig können in jedem System zwei Tasten
gleichzeitig ohne gegenseitige Beeinflussung gedrückt werden. Es können somit insgesamt
vier Funktionen bei gleicher oder unterschiedlicher Adresse mit zwei Sendern, die
auf zwei Empfänger wirken, betätigt werden.
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Bezugszeichen 1 Mikrocomputer 2 Eingabetastatur 3 Kodierschalter
4 Widerstand 5 Widerstand 6 Diode 7 Zenerdiode 8 Widerstand 9 Transistor 10 Kapazität
11 Transistor 12 Kapazität 13 Kapazität 14 Widerstand 15 Kapazität 16 Resettaste
17 Quarz 18 Kapazität 19 Widerstand 20 Zenerdiode 21 Widerstand 22 Widerstand 23
Transistor 24 Transistor 25 Transistor 26 Widerstand 27 Widerstand 28 Transistor
29 Leuchtdioden 30 Leuchtdioden 31 Power-on-Schaltung 32 Endstufe 33 Impulsformerstufe
34 Mikrocomputer 35 Treiberstufen 36 Ausgabeeinheit (Relais) 37 Kodierschalter 38
Netzteil 39 Transformator 40 Gleichrichterbrücke 41 Gleichrichterbrücke 42 Kapazität
43 IC 44 Kapazität 45 Kapazität 46 Kapazität 47 IC 48 Kapazität 49 Widerstand 50
Widerstand 51 Widerstand 52 Kapazität 53 IC 54 Widerstand 55 Widerstand 56 Widerstand
57 Widerstand 58 Widerstand 59 Kapazität 60 Kapazität 61 Taste 62 Kapazität 63 Quarz
64 Widerstand 65 Widerstand 66 Transistor 67 Relais 68 Diode 69 Taste UB Batterie