Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Steuerschalter für
elektrische Geräte. Insbesondere betrifft sie Geräte zum Steuern
einer elektrischen Anlage aus einem Bereich, der
explosiven Rauch oder Dunst, Staub oder ähnliches enthält oder
enthalten kann.
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Die Steuerung einer elektrischen Einrichtung aus Bereichen
heraus, die explosive Dämpfe enthalten, bereitet einige
technische Probleme, die auf verschiedene Arten gelöst
worden sind. Eine Gefährdung ergibt sich, weil das Öffnen
stromführender elektrischer Kontakte in einem Stromkreis,
der irgendeine Induktivität aufweist, einen Funken oder
Lichtbogen ergibt, der die explosiven Dämpfe entzünden
kann. Ein Ansatz, der in der Vergangenheit gemacht worden
ist, um dies zu verhindern, ist die Verwendung eines
explosionsgeschützten Gehäuses. Dieses ist ein Gehäuse,
das so abgedichtet ist, daß es sowohl wasser- als auch
druckdicht ist. Gehäuse für elektrische Geräte, die in
einer derartigen Atmosphäre zu verwenden sind, sind
typischerweise gegossen und nicht gezogen. Sie sind
normalerweise mittels Abdichtungen und Schrauben
zusammengefügt, um einen dichten Abschluß aufrechtzuerhalten. Das
Ergebnis ist ein Gehäuse, das beträchtlich teurer zu
beziehen ist als solche die für nicht gefährdete Bereiche
vorgesehen sind. Gehäuse für gefährliche Anwendung eine
Wartung, die bei Gehäusen erforderlich ist, die zur
Anwendung in nicht gefährdeter Umgebung konstruiert sind.
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Ein Ansatz zur Lösung des Problems von elektrischen
Steuerungen in gefährdeten Umgebungen stellen Schalter in der
sogenannten Schutzart "eigensicher" dar. Hierbei wurden
optische Fasern verwendet, um mechanische
Kommandoeinrichtungen in der gefährdeten Umgebung mit elektrischen
Steuerungen außerhalb der gefährdeten Umgebung zu
verbinden.
Bei einem derartigen System wird eine Lichtquelle
außerhalb der gefährdeten Umgebung mit optischen Faser
gekoppelt, die zu einem Eingabegerät in der gefährdeten
Umgebung führt. Das Eingabegerät, das ein Drucktaster, ein
Fußschalter, ein Grenzwertschalter, ein Druckschalter oder
ähliches sein kann, enthält einen unterbrechbaren Weg für
das Licht, das in eine zweite Fase in dem Eingabegerat
befindliche Faser reflektiert werden kann, die wiederum
an einen Empfänger außerhalb der gefährdeten Umgebung
angeschlossen ist. Die Betätigung des Schaltersin der
gefärdeten Umgebung führt entweder zum Durchgang des
Lichts oder sie unterbrcht es. Systeme wie das
beschriebene wurden in petrochemischen Verarbeitungsanlagen,
Raffinerien, Fabriken zur Herstellung von Sprengstoffen,
getreideverarbeitenden Einrichtungen und ähnlichen verwendet
worden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Klemmanordnung zu
schaffen, die dazu geeignet ist in einem derartigen
Schalter verwendet zu werden.
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Die Beschreibung der WO-A-86/03599 offenbart eine
Befestigungseinrichtung optisches Faserkabel, das dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 entspricht und eine Achse sowie eine
biegsame Kunsstoffumhüllung aufweist, wobei das Kabel mit
einer Planfläche versehen ist, die die Achse des Kabels
schneidet. Die Einrichtung umfasst: einen Führungskanal
für eine optische Faser, an einem Ende des Kanals
angeordnet Mittel, um das Kabel an einer vorbestimmten Stelle
innerhalb des Kanals zum Anschlag zu bringen, der die
Planfläche an einer festen Stelle plaziert; und eine
Halteklammer, die in einer zu der Achse des Kabels im
wesentlichen rechtwinkeligen Richtung zwischen einer
ersten Stellung, in der das Kabel in dem Kanal beweglich
ist, und einer zweiten Stellung verstellbar ist, in der
die Kunststoffumhüllung erfaßt und zusammengepreßt wird,
um das optische Faserkabel lagerichtig zu halten.
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Die Beschreibung der DE-A 36 03 616 offenbart eine
Klemmeinrichtung für eine optische Faser, wobei zunächst eine
verschiebliche Einstellung der Faser moglich ist, ehe sie
durch entsprechende Mittel eingedrückt wird.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Klemme mit den
Merkmalen des Kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und
insbesondere einen Handhabungsabschnitt, der durch die
Außenseite des den Kanal enthaltende Gehäuses ragt, wobei
die Einrichtung derart ist, daß die Klemme von außerhalb
des Gehäuses mit Hilfe des Handhabungsabschnitts
verschoben werden und dadurch aus der ersten in die zweite
Stellung gebracht werden kann, um die Faser zu erfassen und in
dem Kanal lagerichtig zu fixieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt ein Gesamtblockschaltbild einer Vorrichtung
zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht eines Moduls und eines
Tasters für die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Moduls und Tasters
nach Fig. 2.
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Fig. 4 zeigt eine Ansicht des Moduls und Tasters gesehen
entlang der Blicklinien 4-4 in Fig. 2.
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Fig. 5 zeigt eine Ansicht des Moduls und Tasters gesehen
entlang der Blicklinien 5-5 in Fig. 3.
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Fig. 6 zeigt eine geteilte Draufsicht auf einen Taster zur
Veranschaulichung des Wesens der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht auf den Stößel und den
Spiegel nach Fig. 6 in der einen Position.
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Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht des Stößels und des
Spiegels nach Fig. 6 in der instabilen Schnapposition.
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Fig. 9 zeigt eine Explosionsdarstellung der Bestandteile
des Moduls der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 10 zeigt eine Vorderansicht des Arms 150 nach Fig. 6.
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Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht des Arms 150 nach Fig. 6.
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Fig. 12 zeigt eine Ansicht von unten des Arms 150 nach
Fig. 6.
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Fig. 13 zeigt eine Seitenansicht der Klemme in der offenen
Stellung.
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Fig. 14 zeigt eine Seitenansicht der Klemme in der
Klemmstellung.
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Fig. 15 zeigt eine Draufsicht der Klemme.
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Fig. 16 zeigt ein Funktionsblockschaltbild eines
Sendeempfängers zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 17 zeigt eine teilweise Schnittdarstellung des
Sender/Empfängers 112 nach Fig. 1.
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Fig. 18 zeigt ein Schaltplan einer elektronischen
Schaltung in dem Sender/Empfänger 112.
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Fig. 19 zeigt ein Funktionsblockschaltbild der Schaltung
des ASIC 248 nach Fig. 18.
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Fig. 20 zeigt einen Schaltungsteil einer Realisierung des
ASIC 249 nach Fig. 18.
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Fig. 21 zeigt einen Schaltungsteil einer Realisierung des
ASIC 249 nach Fig. 18.
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Fig. 22 zeigt einen Schaltungsteil einer Realisierung des
ASIC 249 nach Fig. 18.
Beschreibung der Erfindung im einzelnen
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Fig. 1 veranschaulicht eine Gesamtblockdarstellung einer
Vorrichtung zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Lichtwellenleiter 100 durch eine Wand
102 geführt, die einen explosionsgefährdeten Bereich 104
von einem sicheren Bereich 106 trennt. Der
explosionsgefährdete Bereich 104 kann explosive Dämpfe, Staub oder
dergleichen enthalten. Ein Betätigungselement 108 ist in
dem explosionsgefährdeten Bereich 104 angeordnet, um einen
Schaltmodul 110 zu betätigen. Das Betätigungselement kann
ein Taster, ein Drehschalter, ein Grenzschalter, ein
Näherungsschalter oder ähnliches sein. Das Betätigungselement
108 und der Schaltmodul 110 enthalten keine elektrischen
Komponenten. Der Schaltmodul 110 ist durch den
Lichtwellenleiter 100 mit einem Sender/Empfänger 112 verbunden,
der in dem sicheren Bereich 106 angeordnet ist. Der
Sender/Empfänger 112 erzeugt Lichtsignale, die mittels des
Lichtwellenleiters 100 zu dem Schaltmodul 110 hin- und von
diesem zurückgeleitet werden. Der Sender/Empfänger 112
verbindet Stromleitungen 114 entweder zunächst mit einem
Relais 116 und dann mit geschalteten Stromleitungen 118
oder die Verbindung geht direkt von dem Sender/Empfänger
112 zu den geschalteten Stromleitungen 118. Die
geschalteten Stromleitungen 118 sind hier als mit einem Motor 120
verbunden dargestellt, der als eine typische Last
angenommen wird, die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung
gesteuert wird. Eine beliebige andere elektrische Last würde bei
der Verwirklichung der Erfindung in gleicher Weise wirken.
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Fig. 2 ist eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels eines Moduls und eines
Betätigungselementes; Fig. 3 enthält eine Seitenansicht des Moduls
und des Betätigungselementes nach Fig. 2; Fig. 4 zeigt
eine Ansicht auf das Ende des Moduls und des
Betätigungselementes,
gesehen entlang der Blicklinie 4-4 in Fig. 2,
und Fig. 5 ist eine Draufsicht auf den Modul und das
Betätigungselement nach Fig. 3, gesehen entlang der
Blicklinien 5-5 in Fig. 3. In den Fig. 2, 3, 4 und 5 ist das
Betätigungselement 108 ein Taster mit zwei
Arbeitsstellungen. Ein Druckknopf 130 ist in einer neutralen Lage, in
der der Lichtfluß in dem Lichtwellenleiter 100 und ebenso
in einem Lichtwellenleiter 132 unterbrochen ist. Wenn der
Druckknopf 130 aus der neutralen Lage gedrückt wird, wird
einer der Lichtwellenleiter 100 und 132 dazu gebracht,
sich mit einem Reflektor zu überdecken, der Licht zu dem
Empfänger 112 von Fig. 1 zurückschickt. Der andere der
Wellenleiter 100 und 132 wird veranlaßt, Licht
zurückzuschicken, wenn der Druckknopf 130 herausgezogen wird. Das
ist lediglich eine von vielen verschiedenen
Wahlmöglichkeiten für den Taster 108 in den Fig. 2, 3, 4 und 5. Der
Taster 108 weist eine Ringschulter 134 auf, die mittels
einer Mutter 136, die Dichtungen 138 zusammendrückt, an
einer 6ffnung eines (nicht dargestellten) Schaltkastens
befestigt ist. Der Lichtwellenleiter 100 ist mittels einer
Klemmen 140 und der Lichtwellenleiter 132 ist durch eine
Klemme 142 am Platz gehalten. Einzelheiten der Klemme 140
und 142 werden weiter unten dargestellt. Zwei Schrauben
144 und 146 sichern den Schaltmodul 110 an dem
Betätigungselement 108.
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Fig. 6 ist eine aufgeklappte Darstellung eines
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Tasters. In Fig. 6 sind
zwei gesonderte Lichtwellenleiterkabel 100 und 132
dargestellt. Bereits einer von ihnen ist zur Verwirklichung der
Erfindung geeignet, jedoch sind zwei dargestellt, weil es
oft wünschenswert ist, einen Schalter zu haben, der
entweder einen in Ruhe geschlossenen Schalter, der mit den
Begriffen eines Lichtwellenleiterschalters als normal hell
(NL) bezeichnet wird, oder einen in Ruhestellung
geöffneten Schalter, normal dunkel (ND), aufweist. Somit wirkt
in Fig. 6 der Arm 150 als ND- und der Arm 152 als NL-
Schalter. Der Arm 150 weist eine Achse 154 auf, die eine
begrenzte Drehung des Armes 152 zuläßt. Die Drehung ist
durch einen ersten Anschlag 156 begrenzt, der den Arm 150
in einer Position stoppt, die normal dunkel ist. Ein
zweiter Anschlag 158 stoppt den Arm 150 in einer Position,
die normal hell ist. In der bevorzugten Ausführungsform
stellt der Wechsel zwischen diesen beiden Positionen eine
Drehung um die Achse 154 von etwa 6 dar. Dies ist eine
Sache der Bemessung. Der Arm 150 konnte ebensogut
veranlaßt werden, eine translatorische oder irgendeine andere
Bewegung auszuführen, die einen Spiegel 160 entweder so
plaziert, daß er Licht reflektiert, wie mit dem Arm 152
gezeigt, oder die einen Spiegel 162 von dem
Lichtwellenleiter 100 wegführt, um eine Reflexion zu verhindern. Die
Schnappbewegung wird sowohl für den Arm 150 als auch für
den Arm 152 durch ein Gleitstück 164 ausgelöst, das gegen
eine Schraubenfeder 166 arbeitet. Die Schnappbewegung wird
durch eine Torsionsfeder 168 verursacht, die eine Kraft
ausübt, um einen Anlagepunkt 170 von dem Gleitstück 164
weg zu drücken. Eine Bewegung des Gleitstücks 164 über
eine über eine mittige Position hinaus läßt den Arm 150 in
eine Position schnappen, die der gegenüberliegt in der er
zuvor gewesen ist. Fig. 7 zeigt den Arm 150 in einer der
beiden stabilen Positionen, während Fig. 8 den Arm 150 in
der instabilen Position zeigt, in der er dabei ist zu
schnappen oder zu kippen.
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Fig. 9 zeigt eine Explosionsdarstellung des Moduls nach
der vorliegenden Erfindung. In Fig. 9 weist ein oberer
Abschnitt 172 des Schaltmoduls 110 eine gekrümmte Hohlkehle
174 auf, die dazu dient, einen eingesetzten
Lichtwellenleiter an einen Anschlag zu führen, der nicht weiter
dargestellt ist. Das Gleitstück 164 ist innerhalb des
oberen Abschnittes 172 angeordnet und in einer
Vorzugsrichtung durch die Feder 166 vorgespannt. Die Feder 168
ist hier in entspanntem Zustand dargestellt. In
zusammengebautem Zustand verbindet sie das Gleitstück 164 mit dem
Arm 150 wie oben beschrieben. Ein Bodenabschnitt 174 des
Gehäuses 110 hält die Leiterklemme 140.
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Die Fig. 10, 11 und 12 sind entsprechende Vorder-, Seiten-
und Unteransichten des Armes 150 nach Fig. 6. In den Fig.
10, 11 und 12 ist ein Spiegel 180 vorzugsweise aus kleinen
reflektierenden Kugeln hergestellt, um einfallendes Licht
in seiner Einfallsrichtung zurückzuwerfen, obwohl mit
einer versilberten oder anderen reflektierenden Fläche
ebenfalls gute Ergebnisse erzielt werden könnten. Die
Achse 154 könnte ebensogut eine Nabe zum Eingriff mit
einem fixierten Vorsprung aufweisen, und der Spiegel 180
konnte anstelle der Drehbewegung eine Translationsbewegung
ausführen. Dieses sind Sachen der Gestaltung.
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Die Fig. 13, 14 und 15 sind entsprechend zwei
Seitenansichten und eine Draufsicht auf die Klemme 140 nach Fig.
2. In den Fig. 13, 14 und 15 ist der Lichtwellenleiter 100
zunächst in seiner ungefaßten Lage, frei von der Klemme
140, dargestellt. Wenn der Lichtwellenleiter in einer
gewünschten Lage ist, wird der Lichtwellenleiter 100 durch
eine in der Richtung des Pfeiles 190 gerichteten Bewegung
der Klemme 140 gefaßt, wie in den Fig. 14 und 15
dargestellt ist, indem der Lichtwellenleiter 100
zusammengedrückt wird. Die Pfeile 192 und 194 zeigen die Richtungen
der Kräfte an, die durch den Schaltmodul 110 auf die
Klemme 140 ausgeübt werden. Von dem Modul 110 steht ein
Griff 196 vor, um einem Bediener zu ermöglichen, den
Lichtwellenleiter 100 festzuklemmen.
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In Fig. 16 ist ein Funktionsblockdiagramm eines
Sender/Empfängers für die Zwecke der vorliegenden Erfindung
dargestellt. In Fig. 16 ist eine Quelle 210 dargestellt,
die Licht erzeugt, das zu einem Strahlteiler 212 geführt
wird. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Quelle 210 eine Leuchtdiode, die mit Rechteckimpulsen
mit einer Frequenz von 16 kHz gepulst wird. Wenn die
Quelle gepulst ist, sind die Frequenz und das
Tastverhältnie Sache der konstruktiven Gestaltung. Wie auch immer die
Art des von der Quelle 210 ausgesandten Lichtes ist, das
Licht tritt in den Strahlteiler 212 ein, wo es in den
Lichtwellenleiter 214 eingekoppelt wird, um zu dem Spiegel
216 gebracht zu werden, reflektiert zu werden und um zu
den Strahlteiler 212 zurückzukehren. Das
Betätigungselement 218 plaziert den Spiegel 216 in eine oder aus einer
Reflexionsposition, wie oben beschrieben. Ausgangssignale
der Quelle 210 und des Strahlteilers 212 werden an einen
Komparator 220 geleitet, um eine Anzeige dafür zu liefern,
daß das Betätigungselement 218 betätigt worden ist. Bei
der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Quelle 210 gepulst, um die Trennung zwischen der
An-Bedingung und der Aus-Bedingung zu vergrößern. Der Komparator
220 ist Teil einer vollständiger weiter unten
beschriebenen Schaltung, die Quellenimpulse mit empfangenen Impulsen
vergleicht und ein Ausgangssignal für ein Relais 222
lediglich beim Empfang einer vorbestimmte Anzahl
gleichzeitiger Impulse abgibt. Diese Unterscheidung konnte
ebenso mit einer Dauerstrichlichtquelle mittels eines
Pegelvergleiches durch den Komparator 220 erreicht werden.
In einem typischen Anwendungsfall gibt ein
Lichtwellenleiter ohne Spiegel, in der dunklen Einstellung, ungefähr 4%
des Lichtes von der Quelle 210 wieder. Das zeigt ein
mogliches Mittel der Unterscheidung zwischen der An- und
der Aus-Bedingung. Jedoch ist das gepulste Verfahren zu
bevorzugen.
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Fig. 17 ist eine teilweise Schnittdarstellung des
Sender/Empfängers 112 nach Fig. 1 und zeigt, wie eine
Verbindung mit dem Lichtwellenleiter hergestellt ist. Wie Fig.
17 erkennen läßt, ist der Lichtwellenleiter 100 gegen ein
Endstück 230 gedrückt, das mittels einer Feder 232 gegen
das Ende des Lichtwellenleiters 100 gedrückt wird. Das
Endstück 230 ist vorzugsweise ein an einem
Lichtwellenleiterkabel 234 befestigtes fabrikmäßig hergestelltes
Endstück, das mittels Epoxidharz oder ähnlichen Mitteln
angeschlossen ist, um ein Endstück zu bilden. Wenn das
Lichtkabel 100 mit einem Rasiermesser oder ähnlichen
Mitteln abgeschnitten worden ist, erzeugt die
federbelastete Lagerung des Endstücks 230 einen verlustarmen
Kontakt
zwischen dem Lichtwellenleiter 100 und dem Kabel 234,
was unerwünschte Reflexionen minimiert.
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Fig. 18 ist ein Schaltplan einer elektrischen Schaltung in
dem Sender/Empfänger 112, der für die Zwecke der
vorliegenden Erfindung Licht erzeugt und wahrnimmt. Wie Fig. 18
zeigt, erzeugt eine Stromversorgungseinrichtung 240
Betriebsspannungen für den Sender/Empfänger 112 aus in einem
weiten Bereich schwankenden Eingangsgleich- oder
Wechselspannungen. Die Stromversorgungseinrichtung 240 umfaßt
eine Spannungsregelschaltung 242, die eine geregelte
Spannung zum Betreiben von Teilen der Schaltung erzeugt.
Ein Sender 244, typischerweise eine LED, erzeugt Licht,
das durch einen Strahlteiler hindurch zu dem
Lichtwellenleiter 100 geleitet wird, und ein Detektor 246,
typischerweise eine Fotodiode, stellt Licht fest, das in dem
Lichtwellenleiter 100 zurückläuft. Der Sender 244 und der
Detektor 246 werden gesteuert durch eine
anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) 248 betrieben, die
auch einen Transistor 250 steuert, der ein Relais 252
betreibt.
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Fig. 19 ist ein Funktionsblockschaltbild der Schaltung des
ASIC 248 nach Fig. 18. In Fig. 19 bezeichnet ein Anschluß
260 eine Frequenzquelle, die typischerweise eine mit dem
ASIC 248 verbundene Widerstandskondensatorkombination ist.
Der Anschluß 260 ist mit einem Zeitgeber- und Steuerblock
262 verbunden, der an eine Leitung 264 einen Impulszug
abgibt, um Impulse des Senders 244 zu steuern. Die Leitung
264 ist außerdem an einen Zähler 266 für übertragene
Impulse angeschlossen, der von einem von dem Zeitgeber und
Steuerblock 262 ausgehenden Signal über eine Leitung 268
rückgesetzt wird.
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Empfangene, von dem Detektor 246 erhaltene Impulse werden
zu einem Bandpaßverstärker 270 geleitet, der außerdem an
einer Referenzspannungsquelle 272 angeschlossen ist. Diese
ist Teil eines Systems zum Schutze des Systems gegen ein
von Umgebungslicht oder anderen Störsignalen abhängiges
Arbeiten. Die Referenzspannungsquelle 272 und der
Bandpaßverstärker 270 sind an einen Analogkomparator 274
angeschlossen, der Empfangsimpulssignale an eine Leitung 276
abgibt. Die Leitung 276 ist an einen Empfangsimpulszähler
278 angeschlossen, der durch das Signal auf der Leitung
268 zurückgesetzt wird. Ausgangssignale der Zähler 266 und
278 werden an einem Komparator 280 geleitet, der an eine
Leitung 282 ein Ausgangssignal abgibt, das zu dem
Transistor 250 von Fig. 18 geleitet wird, um das Relais 252 zu
steuern.
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Die Fig. 20, 21 und 22 zeigen Schaltungselemente einer
Realisierung des ASICS 248 nach Fig. 18, die als die
entsprechenden Elemente von Fig. 19 bezeichnet sind. Somit
ist die Schaltung nach Fig. 20 eine Realisierung des
Bandpaßverstärkers 270, der Referenzspannungsquelle 272
und des Analogkomparators 274 nach Fig. 18. Fig. 21 zeigt
eine Realisierung des Zeitgeber- und Steuerblocks 262
sowie des Zählers 266 für übertragene Impulse nach Fig.
18, und Fig. 22 zeigt eine Realisierung des
Empfangsimpulszählers 278 sowie des Digitalkomparators 280 nach Fig.
18.
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Die hiermit gegebene detaillierte Beschreibung der
Erfindung ist zum Zwecke der Veranschaulichung und soll nicht
zur Begrenzung des Schutzbereich der Erfindung dienen. Der
Schutzbereich ist durch die folgenden Ansprüche bestimmt.