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Die Erfindung betrifft eine Schaltung fur magnetisch auslesbare
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Druckelemente, wie beispielsweise Drucknadeln, Druckhämmer oder dgl.,
für Drucker, insbesondere für Matrixdrucker, bei denen das Druckelement in einer
Ruhelage unter Federkraft gehalten ist und bei Bestromung eines Elektromagneten
unter Oberwindung oder Ausnutzung der Federkraft in die Druckstellung abschießbar
ist, wobei die beim Abschalten auftretende Selbstinduktion der Elektromagnetspule
kurzfristig in Stromwärme umfonnbar ist.
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In einem Matrixdrucker werden im Betrieb die Elektromagnetspulen einer
Drucknadel (Nadeldruckkopf) bzw. von Druckhanamern (Hammerbankdrucker) bestromt,
um die Nadeln bzw. Druckhämmer zu veranlassen, über einzelne Punktabdrucke Schriftzeichen
auf dem Auf zeichnungsträger abzubilden. Die Frequenz des Systems, bestehend aus
der Elektromagnetspule, einem metallischen Magnetkern, einer Feder sowie einer an
der Feder befestigten Nadel, ist in Verbindung mit dem Aufbau der Zeichenmatrlx
direkt proportional zur erreichbaren Schreibgeschwindigkeit des Druckers. Die Frequenz
dieses Systems ist durch die Zeit bestimmt, die die Nadel benötigt, aus der Ruhestellung
in die Arbeitsstellung und wieder zurück zur Ruhestellung zu gelangen, um für den
nächsten Punktabdruck wieder startbereit zu sein. Diese Frequenz des Magnetsystems
ist wiederum stark abhängig von der Zeit, die benötigt wird, um die Spannung an
der Elektromagnetspule abzubauen. Die bestehenden Schwierigkeiten bei der Ansteuerung
eines Magnetsystems bestehen darin, daß der Strom, der durch die Elektromagnetspule
während der tatsächlichen Ansteuerungszeit flieht, nicht sofort nach dem Wegnehmen
der Ansteuerunqsspannung abbricht. Die Induktivität der Elektromagnetspule ist bestrebt,
den Strom in der bisherigen Richtung aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund steigt
die Spannung am abgeschalteten Anschluß der Elektromagnetspule.
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Von den auf dem Markt befindlichen Druckern ist es bekannt, die Elektromagnetspule
über eine Diode im Stromkreis kurzzuschließen.
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Im Kurzschlußstromkreis bleibt daher der Stromfluß aufrechterhalten
bis dieser durch Umwandlung in Stromwärme, sei es innerhalb der Elektromagnetspule,
sei es innerhalb der Diode bis auf Null abgesunken ist. Es versteht sich von selbst,
daß in diesem System der Stromfluß relativ lange besteht und das Drucksystein dadurch
träge, d. h. langsam wird.
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Um diesen Nachteilen zu begegnen, d. h. einen schnelleren Abbau des
induktiven Stromes zu erreichen, wird bei ebenfalls auf dem Markt befindlichen Druckern
die Energie der Selbstinduktion aus der Elektroniagnetspule über eine Diode in einen
in Serie geschalteten Kondensator geladen, wobei zum Kondensator ein Widerstand
parallelgeschaltet ist. Dieses System entlädt die Energie aus der Selbstinduktion
über den Widerstand wiederum in Richtung durch die Elektromagnetspule hindurch,
wobei jedoch darauf zu achten ist, daß die Kapazität des Kondensators groß genug
ist, so viel Energie aufzunehmen, daß die Spannung an einem der Elektromagnetspule
nachgeschalteten Schalttransistor, mit dessen Hilfe die Elektromagnetspule bestromt
wird, durch diese Selbstinduktion nicht höher als die zulässige Betriebsspannung
ansteigt. Außerdem muß der Entladewiderstand so bemessen sein, daß dieser einerseits
den Kondensator bis zur nächsten Bestromung wieder entlädt, andererseits jedoch
den Spannungsanstieg am Kondensator nicht behindert, um den Strom, der von der Selbstinduktion
verursacht wird und der durch die Elektromagnetspule fließt, so klein wie möglich
zu halten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine höhere
Frequenz der Drucknadel bzw. eines Druckhammers zu erzielen, indem insbesondere
die Sei bsti ndukt ionsspannung schneller als bisher abgebaut wird, so daß kürzere
Schaltzeiten für die Drucknadel bzw. für den Druckhammer erzielt werden. Teilaufgabe
der Erfindung ist es jedoch auch, einen schnelleren Aufbau des Magnetfeldes der
Elektromagnetspule zu Beginn des Zyklus' der Drucknadel bzw.
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des Druckhammers zu erzielen.
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Die gestellte Aufgabe wird bei der eingangs bezeichneten Schaltung
dadurch gelöst, daß die Elektromagnetspule bei Abschaltung an eine eine Phasenverschiebung
von 90 erzeugende Baugruppe angeschlossen ist, deren Spannungspolaritäten bezogen
auf die Anschlüsse der Elektromagnetspule umgepolt sind. Diese kurzzeitige Umpolung
der Betriebsspannung hat auch die Umkehrung des in der Elektromagnetspule fließenden
Stroms zur Folge. Der umgekehrte Stromfluß wiederum ruft ebenfalls eine Selbstinduktion
hervor, die die Spannung an dem nachgeschalteten Transistor, der die Elektromagnetspule
ein- und ausschaltet, sehr schnell abbaut. Die Baugruppe besteht hierbei aus dem
bereits erwähnten Kondensator, der Diode und einem entsprechend geschalteten Widerstand,
die die Energie der Selbstinduktion über diese Diode niederohmig in den Kondensator
entladen, wobei dessen Entladung jedoch Uber den zur Diode parallel geschalteten
Widerstand in die Magnetspule geleitet wird.
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Ein Magnetsystem für einen Nadeldruckkopf oder für einen Hammerbankdrucker
erreicht aufgrund der erfindungsgemäßen vorteil haften Gegenbestromung ohne zusätzlichen
Energieaufwand und ohne einen wesentlich höheren Beschaltungsaufwand eine bis zu
30%ige Steigerung der Arbeitsfrequenz.
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Wcitere Merkmale der Erfindung ergeben sich dadurch, dag beim Einschaltvorgang
der Elektromagnetspule diese an eine Spannungsquelle mit gegenüber der Betriebsspannung
der Elektromagnetspule erhöhten Spannung angeschlossen Ist. Dies kann, wie im weiteren
erläutert wird, aufgrund von Spannungsstufen bildenden Transistoren erfolgen.
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Die Erfindung kann in unterschiedlichen Schaltungen verwirklicht werden.
So ist es möglich, das Dämpfungsglied, bestehend aus der Diode und dem Ohm'schen
Widerstand, durch ein anderes Element der bekannten Bauarten zu ersetzen. Eine besonders
vorteilhafte Ausführungsforn der erfindungsgemäßen Schaltung ergibt sich dadurch,
daß
zwischen den Klemmen der Speisespannungsquelle mit entgegengesetzter Spannungspolarität
die Elektromagnetspule an einen ersten Transistor sowie an einen zweiten Transistor
jeweils über deren Kollektor-Emitter-Strecke angeschlossen sind, wobei der erste
Transistor mit seiner Emitter-Elektrode und der zweite Transistor mit seiner Kollektor-Elektrode
in einem Verbindungspunkt über eine Diode an einer Klemme mit Nullspannungspotential
lieyt, und daß an einen Verbindungspunkt zwischen einem Schutzwiderstand und dem
ersten Transistor ein zusammen mit der Elektromagnetspule einen Schwingkreis bildender
Kondensator angeschlossen ist, der mit dem positiven Spannungspotential der Speisespannungsquelle
in Verbindung steht.
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Die Bemessung des Kondensators muß lediglich mit Rücksicht auf die
durch die Selbstinduktion erzeugte Spannung am Transistor zur Ein bzw. Ausschaltung
der Elektromagnetspule einerseits und auf die Dosierung der um.90 verschobenen Gegenbestromung
der Elektromagnetspule andererseits ausgelegt sein. Der zur Diode parallelgeschaltete
Widerstand mu5 außerdem lediglich so bemessen sein, daß der Strom ausreicht, um
eine Selbstinduktion in der Elektromagnetspule hervorzurufen, die die über die Elektromagnetspule
anliegende Spannung gerade gegen Null oder leicht ins Negative wandern läßt, bevor
die beabsichtigte Neubestromung zum Zweck einer neuerlichen Betätigung der Drucknadel
bzw. des Druckhammers erfolgt.
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Anders ausgedrückt, bildet die Erfindung einen Schwingkreis, bestehend
aus der Elektromagnetspule und dem er>ähnten Kondensator, wobei die durch die
Selbstinduktion entstehende Schwingung der Spannung ideal durch die Kombination
der Diode mit dem Ohm'schen Widerstand gedämpft wird, und zwar zeitlich in der ersten
Schwingung sehr schroff und danach mit einer erheblichen Verzögerung in einen nur
geringen Aufwärtsbogen der Schwingungskurve. Es ergibt sich daher nach kürzester
Zeit bereits ein Nullpunkt der Spannung, in dem die Elektromagnetspule über den
erwahnten Transistor neu bestromt werden kann. Ein besonderer Vorteil
der
Erfindung besteht in der Spannungserhöhung am Kondensator, wodurch die Gegenbestromung
auf den Selbstinduktionsstrom der Elektromagnetspule eine erhöhte Dämpfungswirkung
ausübt, so daß sich eine extrem kurze Zeit für die Umformung des Selbstinduktionsstroms
in Elektrowärme ergibt.
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Schließlich ist die erwähnt bevorzugte Ausführung der Baugruppe dahingehend
gestaltet, daß der Kondensator an dem Verbindungspunkt zwischen der Elektromagnetspule
bzw. dem Widerstand und dem Transistor in Reihe mit einer Diode geschaltet ist,
die mit einem Widerstand parallel geschaltet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Nadeldruckkopf,
im Teilschnitt dargestellt, mit der zugehörigen erfindungsgemäßen Schaltung für
die Elektromagnetspule, Fig. 2 als weiteres Ausführungsbeispfel einen Druckhammer
im Teilschnitt, ebenfalls mit der zugehörigen erfindungsgemäßen Schaltung für die
Elektromagnetspule.
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In Fig. 1 ist ein Nadeldruckkopf 1 dargestellt, in dem mehrere Nadeln
2 geführt sind, wobei jede einzelne der Nadeln 2 an einer Feder 3 befestigt ist.
Die dargestellte Bauweise des Nadeldruckkopfes 1 bedient sich eines Pernanentmagneten
4, der über einen an der Feder 3 befestigten Vorsprung 5 die Drucknadel 2 in ihrer
zurückgezogenen "Ruhestellung" hält. Im Falle des Abschießens der Drucknadel 2 wird
die Elektromagnetspule L1 über die Zuleitungen 5 bzw. 7 bestromt, wodurch das entstehende
elektromagnetische Feld, das durch den elektromagnetisch leitenden Magnetkern 8
verstärkt entsteht, die Drucknadel 2 in die "Druckstellung" abschießt. Die Bewegung
der Drucknadel 2 erfolgt hierbei entgegen der Kraft des Magnetfeldes, das der Dauermagnet
4 erzeugt, jedoch mit Unterstützung durch die Feder 3.
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An die Elektromagnetspule L1 wird durch die Einschaltung der Transistoren
V1 und V2 eine Spannung von beispielsweise 13 Volt + 35 Volt = 54 Volt angelegt.
Der Widerstand R1 ist mit beispielsweise 2,2 Ohm sehr niederohmig und nur als Schutzwiderstand
zu betrachten und ist folglich für die Funktionsbeschreibung vernachlässigbar. In
der Elektromagnetspule L1 beginnt nun, nur wenig verzögert durch deren Induktivität,
der Arbeitsstrom zu fließen, der über Normal erhöht ist. Nach einer vorgegebenen
Zeit ist der geplante Strom erreicht, so daß durch das Abschalten des Transistors
V2 mittels des Schalters S2, der nur als Sinnbild flir die Abschaltung der Basisspannung
des Transistors V2 dient, die Spannung an der Elektromagnetspule auf 18 Volt (=
Arbeitsspannung) verringert wird, wobei der Transistor V1 über die Diode V4 gegen
Q Volt geschaltet ist. Der aus dieser Arbeitsspannung resultierende Strom wird nun
aufrechterhalten bis zur Abschaltung des Transistors V1, wofür ebenfalls der Schalter
S1 als Sinnbild für die Abschaltung der Basisspannung des Transistors V1 veranschaulicht
ist (die Widerstände R3, R4 sind lediglich als Schutzwi derstände zu betrachten).
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Nach dem Abschalten des Transistors V1 versucht nun die Selbstinduktion
in der Elektromagnetspule L1 den Stromfluß in der eingezeichneten Richtung 9 aufrechtzuerhalten,
so daß sich die Spannung am Transistor VI (Kollektor) bestimmt durch den Strom aus
L1 und dem Wechsel spannungswiderstand des Kondensators C1.
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Nach einer bestinniten Zeit ist die in der Elektromagnetspule Ll gespeicherte
Energie erschöpft, der Kondensator C1 hat sich über die Diode V3 aufgeladen, und
der Stromfluß durch L1 hat seinen Hdhepunkt erreicht. Der zusammenbrechende Strom
in der Elektromagnetspule L1 bewirkt nun, daß die an dem Transistor V1 (Kollektor)
gemessene Spannung geringer wird, wobei die Diode V3 vom leitenden in den sperrenden
Zustand übergeht.
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Mit der sinkenden Spannung am Transistor V1 beginnt nun ein dem ursprünglichen
Strom durch die Elektromagnetspule L1 entgegengesetzter Strom zu fließen, dessen
Richtung mit 10 bezeichnet ist.
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Fiir diesen Strom in Richtung 10 dient als Stromquelle der aufgeladene
Kondensator Cl mit dem Innenwiderstand R2.
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Dieser Strom in Gegenrichtung 10 beträgt nur einen Bruchteil des ursprünglichen
Arbeitsstromes in der Elektromagnetspule L1 und ist zeitlich begrenzt durch das
Resultat aus der Kapazität des Kondensators C1 und dem Wert des Ohm'schen Widerstandes
R2. In diesem Augenblick bedeutet die Bestromung in Gegenrichtung 10 zwar eine Verzögerung
des Stromabbaues in der Elektromagnetspule L1, nach der Erschöpfung der Stromquelle
C1/R2 in Gegenrichtung 10 stellt sich jedoch aus dieser Gegenbestromung wiederum
eine Selbstinduktion ein, die die am Transistor V1 anliegende Spannung sehr schnell
abbaut. Die zum Kondensator C1 in Reihe geschaltete, in Relation zum hochohmigen
Widerstand R2 durchgeschaltete, niederohmige Diode V3 verhindert, daß sich der Kondensator
C1 angesichts des bestehenden Schwingkreises aus L1/C1 noch einmal nennenswert auflädt.
Somit erfolgt in diesem Schwingkreis L1/C1 eine sehr stark gedämpfte Schwingung,
die eine nachfolgende wesentliche Oberschwingung über den Spannungsnullwert nahezu
ausschließt.
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Der gesamte Vorteil der Erfindung stellt sich daher durch eine verkürzte
Elnschaltdauer der Elektromagnetspule unter erhöhter Spannung dar sowie durch eine
erheblich verkürzte Ausschaltdauer, da beim Ausschalten die Spannungsschwingung
in kürzestmöglicher Zeit gedämpft wird, so daß nachfolgend die erneute Bestromung
der Elektromagnetspule L1 für eine erneute Betätigung der Drucknadel 2 erfolgen
kann. Durch diesen Vorteil erhöht sich die Schreibfrequenz eines derartigen Nadeldruckkopfes
wie bereits erwähnt bis zu 30 .
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C,em.lr, Fig. 2 ist die bereits beschriebene Schaltung zu Fig. 1 auf
einen Drucker der Hammerbauart angewendet, wobei wiederum eine Feder 11 vorgesehen
ist, die die Druckspitze 12 trägt und an einem Permanentmagneten 13 befestigt ist.
Der Penmanentmagnet 13 bildet einen Vorsprung 13a, mit dem die Feder 11 zusammenwirkt.
UXm den ma3netisierbaren Magnetkern 14 ist wiederum die Elektromagnetspule L1 angeordnet.
Der Magnetkern 14 bildet gleichzeitig eine Befestigung, die mittels der Schraube
15 an einem Ständer 16 erfolgt. Zusammen mit dem magnetisierbaren Stück 17 wird
über den Ständer 16, den Magnetkern 14, die Feder 11 und den Dauennagnetn 13 ein
geschlossener Magnetstromfluß erzielt. Im Falle der Duestro nung der Elektromagnetspule
L1, die wie bereits beschrieben erfolgt, wird ein das Magnetfeld des Dauermagneten
13 aufhebendes Magnetfeld aufgebaut, so daß die Feder 11 sich von der Anlage am
Magnetkern 14 abhebt und wie gezeichnet in die "Druckstellung" schnellt. Die Funktion
der der Elektromagnetspule L1 zugeordneten elektrischen Schaltung ist übereinstimmend
mit der bereits zu Fig. 1 beschriebenen Wirkungsweise. Auch hier erfolgt daher ein
schneller Aufbau und ein sehr schneller Abbau der jeweilig entstehenden Magnetfelder.
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