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Verfahren und Steuereinrichtung zum Steuern der
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Hochspannungseinrichtung eines elektrostatischen Beschichtungsgerätes
Die Erfindung betrifft ein zur Verhinderung von Funkenentladungen dienendes Verfahren
zum Steuern der Hochspannungseinrichtung eines elektrostatischen Beschichtungsgerätes,
bei welchem eine zum Ausgangsstrom der Hochspannungseinrichtung proportionale Spannung
auf von den Normal spannung swerten abweichende unzulässige Spannungswerte abgetastet
wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Das elektrostatische Beschichtungsgerät kann insbesondere eine als
Pistole oder Maschinenkopf gestaltete Vorrichtung sein, mit welcher flüssiges oder
pulverförmiges oder faseriges Beschichtungsmaterial insbesondere zum Lackieren bzw.
Beflocken von Werkstückoberflächen oder Oberflächen sonstigen Materials in ein elektrostatisches
Feld ausgegeben wird, das zwischen einer oder mehreren im Abstand von dem zu beschichtenden
Gegenstand angeordneten, an meist negativer Hochspannung liegenden Hochspannungselektroden
der Hochspannungseinrichtung und dem zu beschichtenden geerdeten Gegenstand erzeugt
ist. Zur Hochspannungserzeugung zur Versorgung der Elektrodenanordnung dient ein
in der Hochspannungseinrichtung enthaltener Hochspannungsgenerator, an dessen Ausgang
ggf.
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über einen Strombegrenzungswiderstand die Elektrodenanordnung geschaltet
ist.
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Im Beschichtungsbetrieb fließt an der Elektrodenanordnung entsprechend
den zwischen derselben und dem geerdeten Gegenstand abfließenden elektrischen Ladungen
als Ausgangsstrom der Hochspannungseinrichtung ein Gleichstrom, der ggf. von Oberwellen
überlagert sein kann und der durch Abgriff einer zum Ausgangsstrom proportionalen
Span-
nung am Ausgangskreis der Hochspannungseinrichtung gemessen
werden kann. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen der an Hochspannung liegenden
Elektrodenanordnung und dem geerdeten Gegenstand kleiner wird oder an einem Faserbeflockungsgerät
sich ein Flockenbart ausbildet, kommt es zu einer verstärkten Koronaentladung der
Elektrodenanordnung und dadurch zu einem Anstieg des Ausgangsstromes der Hochspannungseinrichtung,
was zur Funkenbildung und damit zur Explosions oder Brandgefahr führen kann. Um
dies zu vermeiden, sind Steuereinrichtungen bekannt, durch welche die Hochspannungseinrichtung
angeschaltet wird, wenn deren Ausgangsstrom über einen vorbestimmten Wert hinaus
ansteigt. Damit hierbei im Ausgangsstrom enthaltene Oberwellen nicht zu einem zu
frühzeitigen Abschalten der Hochspannungseinrichtung führen, können solche Oberwellen
vor der Messung des zum Ausgangsstrom proportionalen Spannungssignals z.B. mit Hilfe
von Tiefpaßfiltern ausgefiltert werden.
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Bei einem bekannten Verfahren beispielsweise (DE-AS 25 01 235) werden
alle Wechselstrombestandteile des Ausqangsstromes zur Gewinnung eines Gleichstromsignals
gedämpft, das mit einer bestimmten Taktfrequenz abgetastet wird, so daß ein Anstieg
des Signalstromes festgestellt wird und die Abschaltung der Hochspannungseinrichtung
erfolgt, sobald die Anstiegsgeschwindigkeit einen bestimmten Wert übersteigt.
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Die bekannten Steuereinrichtungen arbeiten jedoch verhältnismäßig
träge, so daß ein verhältnismäßig großer Sicherheitsabstand zwischen dem kritischen
Stromwert, ab dem mit einer Funkenbildung zu rechnen ist, und dem Abschaltstromwert
eingehalten werden muß, bei welchem die Abschaltung der Hochspannungseinrichtung
erfolgt.
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Dadurch ist die mögliche Ausgangs leistung der Hochspannungseinrichtung
beschränkt, so daß entsprechend die mögliche Beschichtungsleistung beschränkt ist.
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Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, zum Steuern der Hochspannungseinrichtung
eines elektrostatischen Beschichtungsgerätes ein Verfahren und eine Einrichtung
zu schaffen, durch welche Funkenentladungen zuverlässig verhindert werden und gleichwohl
mit möglichst hoher Ausgangsleistung der Hochspannungseinrichtung gearbeitet werden
kann.
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Die Erfindung macht von der Erscheinung Gebrauch, daß die zum Au sgang
strom der Hochspannungseinrichtung proportionale Spannung bei einer gegenüber dem
Normalbetrieb verstärkten Koronaentladung, die zur Funkenbildung führen kann, bereits
vor dem Entstehen des Funkens deutlich identifizierbare, inssbesondere unregelmäßig
auftretende Wechselspannungsanteile und Spannungsimpulse bzw. Spannungsspitzen enthält.
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Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, die stromproportionale
Spannung auf das Auftreten von sich den Normalspannungswerten, die beim normalen
Beschichtungsbetrieb vorhanden sind, überlagernden, eine bevorstehende Funkenbildung
anzeigenden Wechselspannungsanteilen und Spannungsspitzen abzutasten und den Speisestromkreis
in Anhängigkeit von dem Auftreten der Spannungsspitzen zu steuern. Diese Steuerung
besteht in einer ersten Ausführungsform der Erfindung darin, die Speisespannung
der Hochspannungseinrichtung beim Auftreten der Spannungsspitzen bis zu deren Verschwinden
in abwechselnder Wiederholung abzuschalten und mit vorbestimmter kurzer Zeitverzögerung
wieder einzuschalten.
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Sobald daher derartige Wechselspannungsanteile und/oder Spannungsspitzen
auftreten, erfolgt möglichst verzögerungsarm, insbesondere innerhalb weniger ms,
das Abschalten der Hochspannungseinrichtung, wonach mit kurzer Zeitverzögerung,
insbesondere einiger ms, ein Wiedereinschaltversuch unternommen wird. Werden hierbei
erneut
solche Wechselspannungsanteile und Spannungsspitzen festgestellt,
so wird die Hochspannungseinrichtung sofort wieder abgeschaltet, wonach ein erneuter
Wiedereinschaltversuch erfolgt. Dies wird solange wiederholt, bis beim erneuten
Einschalten der Hochspannungseinrichtung solche Wechselspannungsanteile und Spannungsspitzen
nicht mehr abgetastet werden oder die Stromquelle manuell abgeschaltet wird. Die
Zeitdauer zwischen dem Wiedereinschalten und erneuten Abschalten der Hochspannungseinrichtung
bestimmt sich nach derjenigen Zeitspanne, die nach dem Wiedereinschalten bis zu
der zuerst auftretenden unzulässigen Spannungsspitze verstreicht, wohingegen die
Zeitspanne zwischen jedem Abschalten und Wiedereinschalten der Hochspannungseinrichtung
konstant ist.
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Falls während des Beschichtungsbetriebes aus irgendwelchen anderen
Einflüssen heraus als bei einer verstärkten Koronaentladung Wechselspannungsanteile,
z.B. eine einzelne Spannungsspitze oder eine Gruppe von einigen Spannungsspitzen
auftreten, führen diese bei Anwendung dieser ersten Ausführungsform der Erfindung
zwar ebenfalls zum Abschalten der Hochspannungseinrichtung. Dies hat jedoch keinen
wesentlichen Einfluß auf den Beschichtungsbetrieb, weil die Hochspannungseinrichtung
nur sehr kurzzeitig abgeschaltet bleibt und daher das elektrostatische Feld sofort
wieder aufgebaut wird.
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Es ist jedoch möglich, daß unter gewissen ungünstigen Bedingungen
durch das wiederholte kurzzeitige Ein- und Ausschalten der Hochspannungseinrichtung
selbst Hochspannungsspitzen erzeugt werden können, durch die eine Funkenentladung
gefördert werden kann. Mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird daher
vorgeschlagen, anstatt den Speisestromkreis der Hochspannungseinrichtung beim Auftreten
der Spannungsspitzen zu unterbrechen und mit vorbestimmt er kurzer Zeitverzögerung
wieder einzuschalten, die Speisespannung der Hochspannungeinrich-
tung
durch das Auftreten der Spannungsspitzen bis zu deren Verschwinden um einen durch
die zeitliche Häufigkeit des Auftretens der Spannungsspitzen vorbestimmter Wert
zu reduzieren und nach dem Verschwinden der Spannungsspitzen wieder auf den Sollwert
zu erhöhen. Hierbei erfolgt das Erhöhen der Speisespannung vorzugsweise mit einer
solchen Zeitverzögerung nach dem Auftreten der letzten Spannungsspitze, die ebenfalls
abhängig ist von der zeitlichen Auftrittshäufigkeit der vorher abgetasteten Spannungsspitzen.
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Nach dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung wird daher die Eingangsspannung
der Hochspannungseinrichtung proportional zur Anzahl der pro Zeiteinheit auftretenden
Spannungsspitzen abgesenkt, so daß die Ausgangsleistung der Hochspannungseinrichtung
umso stärker reduziert wird, je häufiger die Spannungsspitzen auftreten und je größer
daher die Gefahr der Funkenentladungen ist. Diese erfindungsgemäße Absenksteuerung
setzt möglichst verzögerungsfrei ein, sobald die ersten Spannungsspitze abgetastet
wird, und wird bis zum Ablauf einer kurzen Zeitverzögerung nach dem Auftreten der
Spannungsspitze fortgesetzt.
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Falls innerhalb dieser Verzögerungszeit eine weitere Spannungsspitze
abgetastet wird, erfolgt ein weiteres Ab senken der Eingangsspannung um einen zusätzlichen
vorbestimmten Betrag. Tritt hingegen innerhalb der Verzögerungszeit eine zusätzliche
Spannungsspitze nicht auf, so steigt die Eingangsspannung wieder auf den Anfangswert
an. Die Absenkzeit der Eingangsspannung ist dabei vorzugsweise umso kürzer und der
Absenkbetrag ist umso größer, je kürzer die Zeitabstände zwischen den abgetasteten
Spannungsspitzen sind.
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Da durch diese zweite Ausführungsform der Erfindung die Hochspannungseinrichtung
nicht jedesmal, wenn eine Spannungsspitze abgetastet wird, vollständig abgeschaltet
und dann wieder eingeschaltet wird, sondern nur eine Reduzierung der Ausgangsleistung
der Hochspannungsein-
richtung um einen Teilbetrag erfolgt, dessen
Größe abhängig von der zeitlichen Dichte des Auftretens der Spannungsspitzen ist,
werden rasche Änderungen des elektrostatischen Feldes um größere Beträge vermieden,
was andernfalls besonders hinsichtlich von Oberflächenladungen auf Kunststoffen
zu relativ starken Entladungen führen kann.
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Die Reduzierung der Speisespannung kann in Stufen vorbestimmter Höhe
erfolgen, wobei die Anzahl der Stufen von der zeitlichen Auftrittshäufigkeit der
Spannungsspitzen bestimmt ist. Vorzugsweise jedoch erfolgt die Reduzierung der Speisespannung
stetig mit einer Abfallzeit, die durch die Auf trittshäufigkeit der Spannungsspitzen
vorbestimmt ist, so daß der Spannungsabfall umso steiler und stärker erfolgt, je
schneller die Spannungsspitzen aufeinander folgen.
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Wenngleich auch das erneute Erhöhen der Speisespannung auf den Anfangswert
mit vorzugsweise ebenfalls in vorbestimmter Abhängigkeit von der Auftrittshäufigkeit
der Spannungsspitzen stehender Zeitvergrößerung nach dem Auftreten der jeweils letzten
Spannungsspitze in einer Stufe erfolgen kann, wird vorzugsweise das Erhöhen der
Speisespannung ebenfalls stetig mit vorbestimmter Anstiegszeit z.B. linear durchgeführt,
um auch hierbei rasche Feldänderungen des elektrostatischen Feldes zu vermeiden.
Falls während dieses Anstiegs bei Erreichen eines Zwischenwertes erneut eine Spannungsspitze
abgetastet wird, setzt das Absenken der Speisespannung von diesem Zwischenwert aus
sofort wieder ein.
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Durch die Erfindung gelingt es, eine verstärkte Koronaentladung zuverlässig
zu unterbinden, bevor dadurch eine ausreichende Energie zur Funkenbildung freigesetzt
ist, selbst wenn der Sicherheitsbereich zwischen der eingestellten Ausgangsleistung
und der für die Erzeugung von Funkenentladungen kritschen Leistung verhältnismäßig
eng
ist. Daher wird durch die Erfindung eine erhöhte Ausgangsleistung
ermöglicht, so daß das Beschichtungsergebnis und die erforderliche Beschichtungsdauer
verkürzt werden können.
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Vorzugsweise wird zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Steuern der
Hochspannungseinrichtung bei Abtastung von im Normalbetrieb nicht auftretenden Spannungsspitzen
der Speisestromkreis beim Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes der stromproportionalen
Spannung unterbrochen. Dadurch erfolgt das Abschalten der Hochspannungseinrichtung
auch bei einem verhältnismäßig langsamen und/oder nicht mit wesentlichen Wechselspannungsanteilen
behafteten Anstieg des Ausgangsstromes, sobald dieser einen vorbestimmten, unter
dem kritischen Wert liegenden Grenzwert erreicht. Es kann die Maßnahme getroffen
sein, daß die Hochspannungseinrichtung nach der Unterbrechung ihres Speisestromkreises
aufgrund des Uberschreitens eines vorbestimmten Spannungswertes der stromproportionalen
Spannung ausgeschaltet bleibt, bis die Bedienungsperson eingreift. Es kann jedoch
nach einer solchen Unterbrechung mit vorbestimmter Zeitverzögerung ein Wiedereinschaltversuch
und ein erneutes Abschalten der Hochspannungseinrichtung erfolgen, solange das Uberschreiten
des vorbestimmten Grenzwertes der stromproportionalen Spannung festgestellt wird.
Sofern z.B. ein Kurzschluß vorliegt, kann die Bedienungsperson die Hochspannungseinrichtung
einer Beschichtungspistole durch Loslassen des Handhebels derselben mithilfe eines
zusätzlichen Schalters vollständig abschalten.
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Durch das Ansprechen der erfindungsgemäßen Steuerung kann eine optische
und/oder akustische Signaleinrichtung angetrieben sein, so daß die Bedienungsperson
auf das Auftreten der Spannungsspitzen aufmerksam gemacht wird und gegebenenfalls
zur Beseitigung der Störung eingreifen kann.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient vorzugsweise
eine elektrische Steuereinrichtung mit einer vom Ausgangsschaltkreis der Hochspannungseinrichtung
zurückgeführten, eine zu deren Ausgangsstrom proportionale Spannung führenden Meßleitung,
die an eine Meßeinrichtung geschaltet ist, von welcher eine Steuerschaltung des
Speisestromkreises der Hochspannungseinrichtung aktivierbar ist. Gemäß der Erfindung
weist die Meßeinrichtung eine auf den Normalspannungswerten überlagerte Spannungsspitzen
ansprechende Detektorschaltung auf. Zur Durchführung der ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die den Speisestromkreis auf das Ansprechen
der Detektorschaltung unterbrechende Steuerschaltung ein Zeitglied zum Wiedereinschalten
des Speisestromkreises mit kurzer Zeitverzögerung nach der Unterbrechung des Speisestromkreises.
In Durchführung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hingegen
ist an den Ausgang der Detektorschaltung ein deren zeitliche Ansprechabhäufigkeit
messender Häufigkeitzähler geschaltet, von welchem die Steuerschaltung zum Ab senken
der Eingangsspannung der Hochspannungseinrichtung gesteuert ist.
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Die Detektor schaltung kann als für den erfindungsgemäßen Zweck geeignete
an sich bekannte Schaltung aufgebaut sein. Vorzugsweise weist sie einen Komparator
auf, zu dessen beiden Eingängen hin die Meßleitung verzweigt ist, die in der einen
Verzweigungsleitung ein die Spannungsspitzen dämpfendes Steuerlement aufweist. Dadurch
sind die Spannungssignale an den beiden Eingängen des Komparators gleich, solange
keine Spannungsspitzen auftreten. Ist dies jedoch der Fall, so entsteht entsprechend
der Dämpfung des Spannungsspitzenimpulses in der einen Verzweigungsleitung bei ungedämpftem
Durchgang des Spannungsimpulses durch die andere Verzweigungsleitung während der
Impulsdauer eine Spannungsdifferenz, auf die der Komparator bei Auftreten einer
vorbestimmten, ggf.
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einstellbaren Größe der Differenz unter Aktivierung der
Steuerschaltung
möglichst verzbgerungsarm anspricht.
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Ein derartiger Komparator kann auch als Differenzgrenzwertschalter
bezeichnet werden, der bei Überschreiten eines vorbestimmten Differenzwertes durchschaltet
und dadurch die Steuerschaltung beim Abschalten und erneuten Einschalten der Hochspannungseinrichtung
aktiviert bzw. einen Zählimpuls auf den Häufigkeitszähler gibt.
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Durch geeignete Auslegung des Dämpfungsgliedes kann bestimmt werden,
welche Spannungsimpulse und Wechselspannungsanteile zur Aktivierung der Steuer schaltung
gedämpft werden und welche im wesentlichen ungedämpft bleiben, so daß der Komparator
auf die letzteren nicht anspricht. Beispielsweise kann ein Tiefpaßfilter als Dämpfungsglied
verwendet werden, der einen Impulse mit steilem Anstieg oder kurzer Impulsdauer
ausfilternden Kondensator aufweist. Zur Reduzierung der Zeitkonstanten des Dämpfungsgliedes
wird jedoch ein Widerstand vorgezogen, dessen Widerstandswert mit wachsender Frequenz
zunimmt und/oder durch den eine frequenzabhängige Phasenverschiebung auftritt. Gegebenenfalls
kann auch ein nicht linearer Widerstand mit vorbestimmter Widerstandskennlinie als
Dämpfungsglied verwendet werden, z.B. ein Varistor.
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Ein Dämpfungsglied in der zum Komparator führenden einen Verzweigungsleitung
der Meßleitung wird gegenwärtig vorgezogen. Eine andere Möglichkeit besteht jedoch
darin, anstelle eines Dämpfungsgliedes ein Verstärkungsglied zu verwenden.
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Als Steuerschaltung können ebenfalls an sich bekannte Schaltungen
verwendet werden. Wenn gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung der Speisestromkreis
auf das Ansprechen der Detektorschaltung unterbrochen werden soll, weist in der
bevorzugten Lösung die Steuerschaltung einen Transistor auf, der mit seiner Basis
an dem Zeitglied und an dem Ausgang der Detektorschaltung liegt, so daß er mit dem
Ansprechen der Detektorschaltung den
Kollektorstrom zur Abschaltung
des Speise stromkreises der Hochspannungseinrichtung durchschaltet und entsprechend
der Zeitkonstanten des Zeitgliedes durchgeschaltet hält, bis er den Kollektorstrom
wieder sperrt, so daß der Speisestromkreis der Hochspannungseinrichtung wieder eingeschaltet
wird.
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Auch der bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendete
Häufigkeitzähler kann als für den erfindungsgemäßen Zweck geeignete, an sich bekannte
Schaltung aufgebaut sein. Vorzugsweise weist der Häufigkeitszähler einen an den
Ausgang der Detektorschaltung geschalteten Summierkondensator auf, der über einen
Entladewiderstand und die Basis eines das Absenken der Eingangsspannung der Hochspannungseinrichtung
steuernden Steuertransistors entladbar ist. Durch jeden am Ausgang der Detektorschaltung
erscheinenden Abtastimpuls wird daher der Summierkondensator um einen vorbestimmten
Spannungswert weiter aufgeladen, so daß er sich entsprechend der Zeitkonstanten
des Entladewiderstandes über die Basis des Steuertransistors entladen kann und dieser
entsprechend der jeweiligen Ladespannung des Kondensators mehr oder weniger stark
leitend wird und die Speisespannung der Hochspannungseinrichtung proportional zu
dem jeweiligen Leitfähigkeitswert des Steuertransistors abgesenkt wird. Wenn die
Ladespannung des Summierkondensators während dessen Entladung durch das Auftreten
einer weiteren Spannungsspitze wieder vergrößert wird, steigt entsprechend die Leitfähigkeit
des Steuertransistors an, so daß das Absenken der Speisespannung der Hochspannungseinrichtung
entsprechend stärker erfolgt. Wenn hingegen ein neuer Ausgangsimpuls der Detektorschaltung
nicht auftritt, wird der Leitfähigkeitswert des Steuertransistors entsprechend dem
Abklingen des Entladevorganges am Kondensator zunehmend geringer, bis er die Absenksteuerschaltung
sperrt, wodurch das erneute Anheben der Eingangsspannung der Hochspannungseinrichtung
eingeleitet wird.
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Die bereits erläuterte bevorzugte Detektorschaltung ist für beide
Ausführungsformen der Erfindung geeignet. Wenn bei einer derartigen Gestaltung der
Detektorschaltung jedoch der Komparator einen verhältnismäßig starken Ausgangsimpuls
abgibt, ist bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung, sofern der Häufigkeitszähler
den Summierkondensator aufweist, vorzugsweise zwischen diesen und den Ausgang des
Komparators ein Begrenzungswiderstand geschaltet, durch welchen jeder Ausgangsimpuls
des Komparators auf eine Teilladungserhöhung des Kondensators begrenzt wird, so
daß dieser in seiner Gesamtkapazität und daher Baugröße klein ausgelegt sein kann.
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Die erfindungsgemäß als Steuergröße verwendete, zum Ausgangsstrom
der Hochspannungseinrichtung proportionale Spannung kann an irgend einer geeigneten
Stelle des Ausgangskreises der Hochspannungseinrichtung entnommen werden. Diese
Stelle ist abhängig von der Bauart des verwendeten Hochspannungserzeugers. Wenn
aufgrund der Art des Hochspannungserzeugers der von der Hochspannungselektrode abfließende
Ausgangsstrom regelmäßige Wechselstromanteile mit vorbestimmter Frequenz aufweist
und dadurch in der vom Ausgangskreis der Hochspannungseinrichtung abgezweigten Meßleitung
eine Wechselspannung entsprechend bestimmter Frequenz auftritt, können solche Frequenzen
in einem darauf abgestimmten Filter ausgesiebt werden, bevor die Verarbeitung des
Signals in der Detektorschaltung erfolgt. Ebenso können Wechselspannungsanteile
ausgesiebt werden, die entsprechend der Art der Hochspannungseinrichtung und der
Wahl der Abgriffstelle der Mebspannung im Ausgangskreis derselben vorliegen, jedoch
nicht entsprechende Wechselstromanteile an der Hochspannungselektrode erzeugen.
Durch ein derartiges Eingangsfilter können zwar auch steile Spannungsspitzen, auf
welche die Steuereinrichtung ansprechen soll, abgetastet und verlangsamt werden;
jedoch kann durch Auswahl einer entsprechend hohen Ansprechempfindlichkeit der Detektorschaltung
das Abtasten der durch das Eingangs-
filter bedämpften Spannungsspitzen
gleichwohl sichergestellt werden.
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Vorzugsweise weist die Hochspannungseinrichtung einen ihre Hochspannungselektrode
treibenden Hochspannungsgenerator auf, der mit Gleichstrom betrieben wird und eine
Oszillatroschaltung, einen entsprechend deren Frequenz betriebenen Transformator
und eine von dessen Sekundärseite betriebene Spannungsvervielfacherkaskade enthält,
deren Ausgang über einen Strombegrenzungswiderstand an der Hochspannungselektrodenanodrdnung
liegt. Der Ausgangskreis der Hochspannungseinrichtung, an dem die Meßspannung abgegriffen
werden kann, reicht hierbei vom Sekundärkreis des Transformators bis zur Hochspannungselektrodenanordnung.
Vorzugsweise ist jedoch die Meßleitung von dem Sekundärkreis des Transformators
zwischen diesem und der Kaskade abgezweigt. Hierbei kann der Detektorschaltung ein
die Frequenz des Sekundärkreises entsprechend der Oszillatorfrequenz ausfilterndes
Eingangsfilter vorgeschaltet sein. Ferner wird hierbei zur Verbesserung der Genauigkeit
der Proportionalität zwischen dem Ausgangsstrom der Kaskade und der Meßspannung
in der Meßleitung bevorzugt, die die Abzweigstelle der Meßleitung enthaltende Sekundärleitung
des Transformators über einen eng tolerierten Widerstand an deb Masseeingang des
Primärkreises des Transformators und den Masseeingang des Oszillators zurückzufuhren.
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Ein derartiger Hochspannungsgenerator kann vollständig oder teilweise
in ein Netzgerät eingebaut sein, in dem auch die erfindungsgemäße Steuereinrichtung
bevorzugt untergebracht ist. Vorzugsweise ist ein derartiger Hochspannungsgenerator
in an sich bekannter Weise vollständig im elektrostatischen Beschichtungsgerät,
beispielsweise einem elektrostatischen Vorsatzgerät für eine Spritzpistole untergebracht,
so daß innerhalb der Hochspannungseinrichtung möglichst kurze Leitungen zur Verhinderung
des Auftretens von Störeinflüssen vorliegen.
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Mit Vorteil ist, wie oben bereits angeführt, außer der auf Spannungsspitzen
ansprechenden Detektorschaltung eine Einrichtung vorhanden, die über die Meßleitung
auf einen absoluten oberen Grenzwert der am Ausgangskreis der Hochspannungseinrichtung
abgegriffenen, zum Ausgangsstrom proportionalen Spannung anspricht. Dieser Grenzwert
kann einstellbar sein. Vorzugsweise ist daher die Meßleitung parallel zur Detektor
schaltung an einen auf das Überschreiten des vorbestimmten Spannungswertes ansprechenden
Grenzwertschalter geschaltet, von welchem die Steuerschaltung parallel zur Detektorschaltung
ansteuerbar ist. Bei dieser Ausführungsform wird daher die Steuerschaltung ebenso
wie durch die Detektorschaltung derart aktiviert, daß sie beim Ansprechen des Grenzwertschalters
den Speisestromkreis der Hochspannungseinrichtung abschaltet und nach einer durch
die Zeitkonstante eines Zeitgliedes bestimmten Zeitverzögerung wieder einschaltet
und das Abschalten und Einschalten abwechselnd wiederholt, solange der Grenzwertschalter
beim Wiedereinschalten erneut das Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes feststellt.
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Die bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung verwendeten Bauelemente
sind vorzugsweise möglichst weitgehend elektronische Bauelemente unter Verwendung
handelsüblich erhältlicher integrierter Schaltungen.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die
aus der Zeichnung ersichtlich sind. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild
einer Hochspannungseinrichtung eines elektrostatischen Beschichtungsgerätes mit
einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, Fig. 2 das Schaltbild eines Netzgerätes
und einer in dieses einbezogenen erfindungsgemäßen Steuer-
einrichtung
für ein elektrostatisches Beschichtungsgerät, in welches eine aus Fig. 3 oder 6
ersichtliche Hochspannungseinrichtung aus einem Hochspannungsgenerator und einer
Hochspannungselektrode eingebaut ist, Fig. 3 eine vom Netzgerät aus Fig. 2 oder
5 versorgte Hochspannungseinrichtung im Beschichtungsgerät, Fig. 4 eine an das Netzgerät
aus Fig. 2 oder 5 anschließbare Meßsonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit
eines Beschichtungsmaterials, Fig. 5 eine in der Steuerschaltung aus Fig. 2 abgewandelte
Ausführungsform des Netzgerätes und Fig. 6 eine vom Netzgerät aus Fig. 2 oder 5
versorgte abgewandelte Ausführungsform der Hochspannungseinrichtung im Beschichtungsgerät.
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Gemäß Fig. 1 weist die Hochspannungseinrichtung 1 eines elektrostatischen
Beschichtungsgerätes an dessen Ausgabemündung eine Hochspannungselektrode 20 zur
Erzeugung eines elektrostatischen Feldes zwischen ihr und einem zu beschichtenden
geerdeten Gegenstand, und einen die Hochspannungselektrode 20 an vorzugsweise negative
Hochspannung legenden Hochspannungsgenerator 19 auf, der über die Speisestromleitung
21 mit einer stabilisierten Gleichspannung von beispielsweise 24V gespeist ist.
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Vom Ausgangskreis des Hochspannungsgenerators 19 ist an einer Stelle,
an welcher eine zum Ausgangsstrom der Hochspannungselektrode 20 proportionalen Spannung
vorliegt, eine Meßleitung 2 abgezweigt, die zu einer Detektorschaltung 4 zurückgeführt
ist, von welcher eine Steuerschaltung 3 gesteuert ist, die auf Ansprechen der Detektorschaltung
4 entweder die Speisestromleitung 21 unterbricht und nach kurzer Zeitverzögerung
wieder an die Speisespannung des Hochspannungsgenerators 19 legt, oder
die
Eingangsspannung der Hochspannungseinrichtung 1 reduziert und mit Zeitverzögerung
wieder auf die ursprüngliche Speisespannung erhöht.
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Wenn der Potentialgradent im elektrostatischen Feld z.B. aufgrund
einer zu starken Annäherung der Hochspannungselektrode 20 an den geerdeten Gegenstand
zu groß wird, kann es aufgrund einer zu starken Koronaentladung der Hochspannungselektrode
zur Funkenbildung kommen. Bevor die Funkenbildung auftritt, überlagern sich jedoch
dem von der Hochspannungselektrode abfließenden Ausgangsstrom der Hochspannungseinrichtung
identifizierbare Wechselstromanteile und Stromimpulsspitzen, die sich aufgrund der
Belastungsabhängigkeit des Ausgangskreises des Hochspannungsgenerators 19 in zusätzlichen
Wechselspannungsanteilen und Spannungsspitzen der von der Meßleitung 4 zurückgeführten
Meßspannung äußern. Auf diese zusätzlichen Wechselspannungsanteile und Spannungsspitzen
spricht die Detektorschaltung 4 an. Die Meßspannung ist daher im Normalbetrieb des
Beschichtungsgerätes repräsentativ für einen Gleichstrom, der bereits vor einer
Funkenbildung durch zu starke Koronaentladung in einen Wechselstrom bzw. Mischstrom
umgewandelt wird. Die Detektorschaltung 4 reagiert auf den Gleichstrom nicht, sondern
auf das Auftreten des Wechsel stromes bzw. Mischstromes, so daß dann sofort die
Speisespannung der Hochspannungseinrichtung 1 in der einen Ausführungsform abgeschaltet
und nach einer von der Steuerschaltung 3 bestimmten kurzen Zeitverzögerung wieder
eingeschaltet wird, und in der anderen Ausführungsform um ein von der zeitlichen
Auftrittshäufigkeit der Stromspitzen abhängiges Maß heruntergesteuert und nach dem
Verschwinden der Stromspitzen wieder hinaufgesteuert wird.
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Diese Vorgänge werden selbsttätig wiederholt, bis die Wechselstromanteile
und Impulsspitzen verschwunden sind, weil nun die Gefahr der Funkenbildung nicht
mehr besteht, oder die Stromquelle der Hochspannungseinrichtung endgül-
tig
abgeschaltet wird.
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Wenn die Meßleitung 2 an einer Stelle des Ausgangskreises des Hochspannungsgenerators
abgezweigt ist, an welcher eine den Ausgangsstrom an der Hoch spannung selektrode
nicht repräsentatierende Spannungsfrequenz vorliegt, z.B. die Betriebsfrequenz eines
Transformators des Hochspannungsgenerators 19, wird diese Frequenz mit einem in
die Meßleitung 2 eingeschalteten Eingangsfilter 16 vor der Detektorschaltung 4 ausgesiebt,
so daß sie für diese kompensiert wird.
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Die Steuereinrichtung aus Fig. 1 ist bevorzugt in ein Netzgerät integriert,
wie es durch die Schaltung aus den Fig. 2 oder 5 ersichtlich ist. Das Netzgerät
weist einen Transformator 26 auf, dessen Eingang über einen Netzschalter 25 an das
Stromnetz anschließbar ist und dessen Ausgang über eine Gleichrichter-Brückenschaltung
27 und eine elektronische Stabilisierungsschaltung mit der Speisestromleitung 21
und der Masseleitung 22 für die Versorgung des Hoch spannung sgenerators der Hochspannungseinrichtung
des elektrostatischen Beschichtungsgerätes verbunden ist.
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Die Stabilisierungsschaltung enthält eine zwischen die Ausgangspole
der Stromquelle in Reihe mit dem Vorwiderstand 28 geschaltete Zenerdiode 29 sowie
einen als integrierte Schaltung ausgeführten elektronischen Regler 24, der in an
sich bekannter Weise für eine konstante, mittels des Spannungseinstellers 30 einstellbare
Eingangsspannung an der Speisestromleitung 21 der Hochspannungseinrichtung sorgt.
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Das Schaltbild einer bevorzugten, im elektrostatischen Beschichtungsgerät
selbst untergebrachten Hochspannungseinrichtung 1 ist aus der Fig. 3 ersichtlich.
Sie enthält den Hochspannungsgenerator 19 und die an dessen Ausgang über einen Schutzwiderstand
23 geschaltete Hoch-
spannungsgelektrode 20. Der Hochspannungsgenerator
19 besteht aus einem Oszillator 31, einem diesem nachgeschalteten Transformator
5 und einer von dessen Sekundärkreis 13 gespeisten Spannungsvervielfacherkaskade
15. Die Meßleitung 2 zweigt vom Sekundärkreis 13 des Transformators 14 vor dem Strahlstromeingang
der Kaskade 15 ab und führt zum Netzgerät aus Fig. 2 zurück, wosie über das Tiefpaß-Eingangsfilter
16, die Diode 33 und einen Einstellwiderstand 34 an die Detektorschaltung 4 geschaltet
ist.
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Am Ausgang des Einstellwiderstandes 34 verzweigt sich die Meßleitung
2 in zwei Verzweigungsleitungen 9 und 10, die an die beiden Eingänge 7 und 8 eines
als Rechenverstärker ausgeführten Komparators 6 gehen. Dieser liegt mit seinem nicht
invertierenden Eingang 8 über die Verzweigungsleitung 10 unmittelbar am Ausgang
des Einstellwiderstandes 34, wohingegen in die zum invertierenden Eingang des Komparators
6 führende Verzweigungsleitung 9 ein Widerstand 11 eingeschaltet ist. Parallel zu
der Diode 33 und dem Einstellwiderstand 34 ist der Ausgang des Impedanzwandlers
32 über einen Kondensator 56 an die Verzweigungsleitung 9 vor dem Widerstand 11
geschaltet. Der Kondensator 56 erhöht die Ansprechempfindlichkeit der Detektorschaltung
Er überbrückt den Spannungsabfall an dem Einstellwiderstand 34 wechselspannungsmäßig.
Der Komparator arbeitet aufgrund seiner Beschaltung als Hochpaß-Differenzgrenzwertschalter,
dessen Schwellenwert über einen an den Komparatoreingang 7 geschalteten Widerstand
35 von der Kathodenspannung der Zenerdiode 29 abgeleitet ist, der andererseits über
einen Kondensator 36 an Masse liegt. Der Ausgang 18 des Komparators 6 ist über die
Einwegdiode 37 und einen Widerstand 38 an die Basis eines Transistors 12 geschaltet,
der mit seinem Kollektor-Emitterzweig zwischen Masse und den Steuereingang des elektronischen
Reglers 24 geschaltet ist.
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Zwischen der Diode 37 am Ausgang 18 des Komparators 6 und dem der
Basis des Transistors 12 vorgeschalteten
Die Verzweigungsleitung
9 der Detektorschaltung 4 liegt außerdem am nicht invertierenden Eingang eines als
Grenzwertschalter 17 arbeitenden Rechenverstärkers, der durch eine an seinem invertierenden
Eingang liegende Eingangsschaltung 41 eine Foldback-Kennlinie aufweist und dessen
Schwellenwert mittels des Einstellwiderstandes 34 einstellbar ist. Der Ausgang des
Grenzwertschalters 17 liegt über eine Einwegdiode 42 parallel zum Komparator 6 an
der Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 39 und dem Widerstand 38.
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Die Steuerschaltung aus Fig. 2 arbeitet wie folgt: An der Meßleitung
2 liegt am Ausgang des Eingangsfilters 16 gegenüber der Masseleitung 22 eine zum
Ausgangsstrom der Hochspannungseinrichtung 1 proportionale Spannung, die über den
Impedanzwandler 32 und den Einstellwider stand 34 an den Eingang der Detektorschaltung
4 gegeben wird, die über die Verzweigungsleitungen 9 und 10 mit den beiden Eingängen
des Komparators verbunden ist.
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Der Widerstand 11 in der Verzweigungsleitung 9 arbeitet als Hochpaß-Dämpfungsglied,
durch welches aufgrund der Frequenzabhängigkeit des Wertes des Widerstandes 11 auftretende
Spannungsspitzen mit zunehmender Frequenz zunehmend gedämpft werden. Solange daher
im Normalbetrieb der Hochspannungseinrichtung 1 des elektrostatischen Beschichtungsgerätes
die Spannung am Eingang der Detektorschaltung 4 konstant ist oder nur mit geringer
Frequenz sich ändert, ist die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen des
Komparators im wesentlichen konstant, so daß sie unterhalb der für das Durchschalten
des Komparators 6 erforderlichen Grenzspannungsdifferenz liegt, daher am Ausgang
des Komparators 6 kein Signal vorliegt und somit der Kollektor-Emitterzweig des
Transistors 12 gesperrt ist. Wenn jedoch in der Meßleitung 2 über eine vorbestimmte
Frequenz hinausgehende Wechselspannungsspitzen erscheinen, werden diese von dem
Widerstand 11 in der Verzweigungsleitung 9 gedämpft und
bleiben
in der Verzweigungsleitung 10 ungedämpft, so daß an den Eingängen 7, 8 des Komparators
6 eine Spannungsdifferenz vorhanden ist, die zu dessen sofortigem Durchschalten
führt. Dadurch wird einerseits der Transistor 12 durchgeschaltet, so daß dieser
den Steuereingang des Reglers 24 an Masse legt und dadurch die Speisestromleitung
21 unterbrochen wird, und andererseits wird der Kondensator 39 aufgeladen. Sobald
die Spannung am Ausgang des Komparators aufgrund der Abschaltung der Hochspannungseinrichtung
verschwindet, entlädt sich der Kondensator 39 über die Basis des Transistors 12.
Wenn der Kondensator 39 mit der durch den Widerstand 39 entsprechend dessen Zeitkonstanten
bestimmten Zeitverzögerung entladen ist, wird der Kollektor-Emitterzweig des Transistors
12 wieder gesperrt, so daß der Regler 24 den Speisestromkreis der Hochspannungseinrichtung
wieder schließt und diese wieder eingeschaltet wird.
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Der Grenzwertschalter 17 hingegen arbeitet auf einen Tiefpaß und spricht
auf das Überschreiten eines Spannungsgrenzwertes an, der bei den Widerstand 11 im
wesentlich ungedämpft passierenden Spannungserhöhungen erreicht wird.
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Mit dem Ansprechen des Grenzwertschalters 17 erfolgt wie zu dem Ansprechen
der Detektorschaltung 4 beschrieben das Abschalten der Speisespannung der Hochspannungseinrichtung
und nach einer durch das Zeitglied 5, das aus der Reihenschaltung des Kondensators
39 und des Widerstandes 38 gebildet ist, bestimmten Zeitverzögerungen ein Wiedereinschaltversuch.
In die Speiseleitung 21 kann ein zusätzlicher Schalter (nicht gezeigt) eingeschaltet
sein, der mittels des Handhebels der Beschichtungspistole betätigt werden kann,
so daß der Hochspannungsgenerator 19 von der Bedienungsperson wahlweise auch manuell
abgeschaltet bzw. eingeschaltet werden kann.
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Das Netzgerät aus Fig. 2 enthält ferner ein Mehrfach-Anzeigeinstrument
45, von welchem während des Beschichtungsbetriebes der Ausgangsstrom der Hochspannungsein-
richtung
1 angezeigt wird. Das Anzeigeinstrument 7 ist als Strommesser über einen als Stromverstärker
geschalteten Eingangs-Rechenverstärker 46, zwei manuell bettigbare, in Reihe geschaltete
Umschalter und einen Stromeinsteller 47 mit der Meßleitung 2 am Ausgang des Impedanzwandlers
32 verbunden. Mittels des Umschalters 49 kann das Anzeigeinstrument 45 bedarfsweise
als Spannungsmesser zwischen die Versorgungsleitungen 21 und 22 der Hochspannungseinrichtung
geschaltet werden, so daß die Speisespannung des Hochspannungsgenerators gemessen
und in Form des Hochspannungswertes am Ausgang desselben an einer zusätzlichen Skala
in geeigneten Spannungseinheiten angezeigt wird. Mittels des anderen Umschalters
48 hingegen kann das Anzeigeinstrument 45 als Strommesser in eine Leitfähigkeits-Meßschaltung
50 eingeschaltet werden, die einerseits an die Kathode der Zener-Diode 32 angeschlossen
ist und daher die spannungsstabilisierte Stromquelle des Netzgerätes als Meßstromquelle
enthält, und andererseits über einen Stromeinsteller 51 und eine Meßsonde 53 (Fig.
4), die an entsprechende Verbindungsanschlüsse 52 am Netzgerät angeschlossen werden
kann, und den Umschalter 48 an den Eingang des Stromverstärkers 46 anschließbar
ist. Die Leitfähigkeits-Meßschaltung 11 weist außer dem zwischen die Zenerdiode
29 und die Meßsonde 53 eingeschalteten Stromeinsteller 42 einen zwischen der Meßsonde
53 und dem Umschalter 48 angeschalteten Spannungseinsteller 54 auf. Die Meßsonde
53 (Fig.
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4) enthält zwei im Abstand voneinander konzentrisch ineinander angeordnete
rohrförmige Tauchelektroden und wird für die Messung der Leitfähigkeit des Beschichtungsmaterials
in dieses eingetaucht, so daß nach Umschalten des Umschalter 48 der elektrische
Widerstand des Beschichtungsmaterials zwischen den Tauchelektroden der Meßsonde
53 gemessen und auf einer zusätzlichen Leitfähigkeits-Meßskala des Anzeigeinstrumentes
45 angezeigt wird. Von der Betätigung der Umschalter 48, 49 bleibt jedoch, sofern
die Hochspannungseinrichtung nicht
mittels deren Schalter an dem
Beschichtungsgerät abgeschaltet ist, der Betrieb der Detektorschaltung 4 unberührt.
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Das Netzgerät aus Fig. 5 ist mit Ausnahme der Steuerschaltung 3 identisch
zu dem Netzgerät aus FFig. 2.
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Gemäß Fig. 5 ist an den Ausgang der Detektorschaltung 4 ein Häufigkeitszähler
geschaltet, durch den der im Zusammenwirken mit dem Regler 24 die Speiseleitung
21 durch das Abtasten von Spannungsspitzen nicht vollständig unterbrochen wird,
sondern die Speise spannung in der Speiseleitung 21 in Abhängigkeit von der Auftrittshäufigkeit
der Spannungsspitzen heruntergesteuert wird.
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Hierzu ist zwischen die am Ausgang 18 des Komparators 6 angeordnete
Einwegdiode 37 und den Kondensator 39 ein Begrenzungswiderstand 55 eingeschaltet
und der an die Basis des Steuertransistors 12 geschaltete Entladewiderstand 38,
der Begrenzungswiderstand 55 und der Kondensator 39 sind derart aneinander und an
den Transistor 12 angepaßt ausgelegt, daiS der Kondensator 39 einen Summierkondensator
bildet, dessen Ladezustand sich bei jedem Durchschalten des Komparators 6 aufgrund
des Auftretens einer Spannungsspitze nur um einen 'Lleilbetrag erhöht, und die Leitfähigkeit
des Transistors 12 proportional zu dem jeweiligen Ladezustand des Summierkondensators
39 ist. Wenn daher der Komparator 6 aufgrund der Abtastung einer Spannungsspitze
in der Meßleitung 2 durchgeschaltet wird, so wird nach Begrenzung des Ausgangsimpulses
des Komparators 6 mittels des Begrenzungswiderstandes 55 der Summierkondensator
39 um einen entsprechenden Teilladungswert aufgeladen, von. dem aus sich der Summierkondensator
über den Entladewiderstand 38 und die Basis des Steuertransistors 12 mit durch den
Widerstand 38 vorbestimmter Zeitkonstante entlädt, so daß der Steuertransistor um
ein vom jeweiligen Ladezustand des Kondensators 39 bestimmtes Maß leitfähig wird.
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Dadurch wird der Steuereingang des Reglers 24 über den vom Leitfähigkeitszustand
des Transistors 12 bestimmten
Widerstandswert an Masse geschaltet,
so daß die Eingangsspannunq in der Leitung 21 in entsprechendem Ausmaß reduzierL
wird. Wenn der Kondensator 39 mit der durch dcn Widerstand 38 entsprechend dessen
Zeitkonstanten bestimmten Zeitverzögerung entladen ist, wird der Kollektor-Emitterzweig
des Transistors 12 wieder gesperrt, so dab der Regler 24 die Eingangsspannung der
Hochspannungseinrichtung wieder erhöht, bis der Anfangswert der Speisespannung wieder
erreicht ist oder die Detektorschaltung eine neue Spannungsspitze abtastet. Je häufiger
daher der Komparator 6 aufgrund des Auftretens einer Spannungsspitze während des
Entladens des Kondensators 39 durchgeschaltet wird, umso stärker wird der Kondensator
39 aufgeladen und umso weiter daher der Steuertransistor 12 geöffnet, so daß die
Eingangsspannung der Hochspannungseinrichtung mittels des Reglers 24 umso stärker
und zeitlich länger abgesenkt wird, je häufiger das Auftreten von Spannungsspitzen
in der Meßleitung abgetastet wird und je größer daher die Gefahr der Funkenbildung
ist.
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Der Grenzwertschalter 17 hingegen spricht weiterhin auf das überschrittenwerden
eines vorbestimmten Spannungswertes in der Meßleitung 2 an, der bei den Widerstand
1 1 im wesentlichen ungedämpft passierenden Spannungserhöhungen erreicht wird. Mit
dem Ansprechen des Grenzwertschalters 17 wird der Summierkondensator 12 voll aufgeladen,
so daß das Abschalten der Speisespannung der Hochspannungseinrichtung erfolgt, bis
der Kondensator 39 sich mit der durch seine Ladespannung und die Zeitkonstante des
Widerstandes 38 bestimmten Zeitverzögerung wieder entladen hat, wonach in der zu
Fig. 2 beschriebenen Weise ein Wiedereinschaltversuch erfolgt.
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Die von der Schaltung aus Fig. 6 her ersichtliche Hochspannungseinrichtung
im elektrostatischen Beschichtungsgerät entspricht dem aus Fig. 3 mit der Ausnahme,
daß gemäß Fig. 6 der Strahlstromeingang der Kaskade 15, an dem die
Meßleitung
2 abgezweigt ist, vor dem Anschluß der Meßleitung 2 über einen eng tolerierten Widerstand
58 an die durch den Oszillator hindurchgeführte Masseleitung 22 zurückgeführt ist,
die am Masseanschluß der Primärwicklung des TransFormators 14 liegt, so daß der
Widerstand 58 den Transformator 14 überbrückt.
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