GEBIET DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator mit eingebautem
Reed-Schalter. Ein solcher Aktuator ist bereits aus DE-A-1921232 bekannt.
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Ein Aktuator mit einem Relais, bestehend aus einem in einer Spule befindlichen
beweglichen Element aus magnetischem Material, welches durch ein magnetisches
Feld betätigt wird, das beim Fließen eines Stroms durch die Spule und durch
elektrische Kontakte entsteht, welcher intermittierend auf die Betätigung des
beweglichen Elements reagiert, oder mit einem Magnetventil, welches das bewegliche
Element enthält, das den gleichen Aufbau und die gleiche Betriebsweise hat wie
beim Relais und über ein Ventil vertügt, das sich entsprechend der Betätigung des
beweglichen Elements öffnet und schließt, findet bereits breite Anwendung.
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Beim durch die Magnetspule repräsentierten elektrischen Aktuator wird als
Zugkraft die Magnetkraft genutzt, welche durch einen durch die Spule fließenden
Strom erzeugt wird. Damit die Zugkraft auch bei Belastung auf einen geeigneten
Wert eingestellt werden kann, kommt der Anzahl der Windungen der Spule und dem
Stromwert eine große Bedeutung zu. Wenn das Produkt "A × T (Stromstärke in
Ampere - Anzahl der Windungen)" konstant ist, verhält sich auch die Zugkraft
identisch. Dementsprechend wird dafür ein Optimalwert gewählt, der auf der Basis der
Spannung einer Stromversorgung, der Abmessungen einer Spule, der
Anziehungskraft und der in der Spule erzeugten Temperatur festgelegt wird. Im allgemeinen ist
für eine große Zugkraft ein hoher Stromwert erforderlich.
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Wenn eine Abweichung in enem kleinen Strom einen großen Strom
unterbrechen soll, sind dazu sowohl eine große Kraft als auch eine hohe Empfindlichkeit
erforderlich. Da beides nicht durch ein einzelnes Gerät realisiert werden kann,
wurde bisher im allgemeinen ein Halbleiterverstärker eingesetzt, um einen Aktuator
mit großer Kraft zu betätigen, oder eine Vorrichtung wie beispielsweise ein Reed-
Relais mit hoher Betriebsempfindlichkeit wird zur Erkennung eingesetzt, um somit
den Aktuator anzusteuern.
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Bei der Verwendung einer Halbleiterschaltung erhöht sich tendenziell die
Anzahl der für Peripherieschaltungen erforderlichen Bauteile wie beispielsweise
Stromversorgungsschaltungen, wodurch sich auch das von diesen Bauteilen
eingenommene Volumen erhöht. Obwohl dadurch viele optionale Funktionen bereitgestellt
werden, lassen sich die entstehenden Kosten kaum reduzieren.
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Darüber hinaus weist das Reed-Relais einen einfachen Aufbau auf; auch
wenn bei der Einstellung der Empfindlichkeit der für die Erkennung verwendete
Widerstand groß ausgelegt wird, um die Empfindlichkeit zu erhöhen, kann der
Spulenwiderstand des Reed-Relais selbst erhöht werden. Wenn es zu einer Störung
kommt, beispielsweise zu einem Kurzschluß in der Erkennungsschaltung, ist es
möglich, daß ein übergroßer Strom an die Spule angelegt wird.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hochempfindlichen Aktuator
mit einer stromempfindlichen Funktion bereitzustellen, der klein in den
Abmessungen ist und eine hohe Empfindlichkeit sowie eine ausreichend große Antriebskraft
aufweist. um somit verschiedene kieme und kostengünstige Schutzvorrichtungen
bereitzustellen.
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Um das oben genannte Problem zu lösen, besteht ein Aktuator mit
eingebautem Reed-Schalter entsprechend der vorliegenden Erfindung aus einem Tauchkern,
der aus einer Zylinderspule und einer magnetischen Substanz aufgebaut ist und
beweglich innerhalb einer Magnetspule gelagert ist, einem fest innerhalb der
Magnetspule befestigten Tauchkernaufnehmer aus einer magnetischen Substanz,
einem auf Magnetfelder ansprechenden Reed-Schalter, der in Reihe mät der
Magnetspule geschaltet ist und sich nahe einem Zwischenraum zwischen dem
Tauchkern und dem Tauchkernaufnehmer befindet, und einem Sensoranschluß, der
von einer Verbindung zwischen der Magnetspule und dem auf Magnetfelder
ansprechenden Reed-Schalter abzweigt, wobei die Kontakte des auf Magnetfelder
ansprechenden Reed-Schalters durch ein Magnetfeld geschlossen werden, das
beim Fließen eines über den Sensoranschluß kommenden Stroms durch die
Magnetspule aufgebaut wird.
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In Fig. 6 wird eine Ausführungsform einer Schaltung gezeigt, bei der ein
hochempfindlicher Aktuator entsprechend der vorliegenden Erfindung als
Stromunterbrechungsrelais eingesetzt wird.
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Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung wird am Beispiel dieser
elektrischen Schaltung beschreiben.
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Eine Stromversorgung ist an die Anschlüsse I1 und I2 angeschlossen; an die
Anschlüsse O1 und O2 ist eine Last angeschlossen. Die Anschlüsse I1 und O1 sind
miteinander über einen Kontakt P verbunden, während die Anschlüsse I2 und O2
über den Kontakt Q miteinander verbunden sind. Die Kontakte P und Q stellen im
Normalfall eine Verbindung zwischen den Anschlüssen a1 und a2 bzw. zwischen
den Anschlüssen b1 und b2 her; wenn jedoch ein Strom durch eine Magnetspule
fließt, öffnen die Kontakte P und Q die Verbindung zwischen den Anschlüssen a1
und a2 bzw. zwischen den Anschlüssen b1 und b2. Der Anschluß a2 des Kontakts P
auf dessen Lastseite ist mit einem Anschluß der Magnetspule verbunden, und der
Anschluß b2 des Kontakts Q auf dessen Lastseite ist über den Kontakt R mit dem
anderen Anschluß der Magnetspule verbunden. Beim Kontakt R handelt es sich um
einen auf Magnetfelder ansprechenden Reed-Schalter, der sich nahe einem
Zwischenraum zwischen einem Tauchkern und einem Tauchkernaufnehmer
befindet, um mit hoher Empfindlichkeit auf Magnetfelder zu reagieren und beim Auftreten
eines Magnetfelds in der Magnetsptile zu schließen. Die Sensoranschlüsse S1 und
S2 zweigen von den Anschlüssen C1 und C2 auf beiden Seiten des Kontakts R ab.
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Wenn kein Strom durch die Magnetspule fließt, reagiert der Reed-Schalter
auch auf kein Magnetfeld, und der Kontakt ist dementsprechend geöffnet.
Demzufolge wird der Verbindungszustand der Kontakte P und Q beibehalten.
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Wenn die Sensoranschlüsse S1 und S2 in das Wasser eintauchen, fließt ein
Strom durch die Magnetspule, der dem Quotienten aus der von der Stromversorgung
bereitgestellten Spannung und der Summe aus der Impedanz der Magnetspule und
der Impedanz des Wassers entspricht. Beim Fließen des Stroms durch die
Magnetspule wird im Zwischenraum zwischen dem lauchkern und dem
Tauchkernaufnehmer ein magnetisches Streufeld aufgebaut, auf welches der Reed-Schalter
reagiert und somit den Kontakt R schließt, so daß ein Strom durch die Magnetspule
fließt, der dem Quotienten aus der von der Stromversorgung bereitgestellten
Spannung und der lmpedanz der Magnetspule entspricht. Das bedeutet, daß der
durch die Magnetspule fließende Strom ansteigt. Im Ergebnis dessen werden die
Kontakte P und Q geöffnet, um die Stromversorgung abzutrennen.
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Wenn die Spannung der Stromversorgung 100 V beträgt, der Widerstand der
Magnetspule bei 1000 Ω liegt, die Anzahl der Windungen der Magnetspule 10000 T
beträgt und der Ansprechwert für ein minimales Magnetfeld zur Betätigung des
Reed-Schalters 20 AT beträgt, hat der Strom für die Magnetspule zum Zeitpunkt der
Betätigung des Reed-Schalters den Wert 20 ÷ 10000, also 2 mA. Wenn in dem Fall,
in dem ein Widerstand zwischen den Sensoreiektroden in Reihe mit dem
Widerstand
von 10000 Ω der Magnetspule geschaltet ist, der Magnetspulenstrom 2 mA
beträgt, ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 100 V ÷ 2 mA, also 50 kΩ. Das heißt.
daß der Reed-Schalter betätigt wird, wenn der Widerstand zwischen den
Sensorelektroden 49 kΩ beträgt.
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Bei Betätigung des Reed-Schalters wird die Spannung der Stromversorgung
von 100V direkt an die Magnetspule von 1000 Ω angelegt. in diesem Moment fließt
ein Strom von 100 mA durch die Magnetspule, und ein Magnetfeld von 1000 AT wird
in der Magnetspule aufgebaut. Das heißt, daß das Magnetfeld auf das Sofache
vergrößert wird. Dieser Wert kann durch Auswahl der Empfindlichkeit des Reed-
Schalters und der Anzahl der Windungen der Magnetspule noch verbessert werden
Es kann jedoch der Fall auftreten, daß die tatsächliche Empfindlichkeit im Vergleich
zum berechneten Wert aufgrund von mechanischen Verlusten oder dergleichen
geringer ausfällt.
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Selbst bei einem sehr geringen durch die Magnetspule C fließenden Strom.
und wenn die Kontakte P und Q durch diesen Strom geöffnet werden können, kann
auf diese Weise der auf ein durch diesen sehr kleinen Strom gebildetes Magnetfeld
ansprechende Reed-Schalter verwendet werden, um den Strom durch die
Magnetspule C zu erhöhen und die Kontakte P und Q zu öffnen. Das heißt, auf diese Weise
kann ein hochempfindlicher Aktuator für hohe Stromwerte realisiert werden.
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Die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:
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1) Ein großer Strom kann durch einen sehr kleinen Strom abgeschaltet werden.
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2) Ein Einsatz als Magnet-Relais ist möglich, das einen beim Eintauchen
auftretenden Strom erkennt und die Stromversorgung abschaltet.
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3) Ein Einsatz als Temperaturschalter ist möglich, der eine Abweichung eines
Stroms durch einen auf eine remperatur reagierenden Widerstand zwischen
Erkennungselektroden erkennt, um einen Elektromagneten anzusteuern.
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4) Ein Einsatz als Feuchtigkeitsschalter ist möglich, der eine Abweichung eines
Stroms durch einen auf eine Feuchtigkeit reagierenden Widerstand zwischen
Erkennungselektroden erkennt, um einen Elektromagneten anzusteuern.
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5) Ein Einsatz als Lichtmengenschalter ist möglich, bei dem ein Photosensor wie
beispielsweise CdS zwischen Erkennungselektroden geschaltet ist, und ein
Elektromagnet in Abhängigkeit von einer bestimmten Lichtmenge angesteuert
wird.
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6) Ein Einsatz als temperaturempfindlicher Aktuator ist möglich, bei dem ein
Temperatursensor wie beispielsweise ein Ihermistor, dessen Widerstand sich
in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, zwischen Erkennungselektroden
geschaltet ist, und durch den ein Ventil oder dergleichen für Flüssigkeit oder
Gas betätigt wird, wenn eine Temperaturänderung erkannt wird.
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7) Ein Einsatz als rauchempfindlicher Aktuator ist möglich&sub7; bei dem ein
Photosensor wie beispielsweise CdS, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von
der Lichtmenge ändert. zwischen Erkennungselektroden geschaltet ist, um
eine Abweichung der Lichtmenge durch eine auftretende Rauchmenge zu
erkennen und ein Ventil oder dergleichen für Flüssigkeit oder Gas zu
betätigen.
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8) Ein Einsatz als temperaturempfindliches elektromagnetisches Ventil ist
möglich, bei dem ein Temperatursensor wie ein Thermistor oder dergleichen.
dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
zwischen Erkennungselektroden geschaltet ist, um bei einer
Temperaturänderung ein Ventil für Flüssigkeit oder Gas zu betätigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines
hochempfindlichen Aktuators entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II aus Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine Draufsichtdarstellung von Fig. 1;
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Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV aus Fig. 1;
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Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie V-V aus Fig. 1;
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Fig. 6 ist ein elektrisches Schaltdiagramm für den Fall, daß der
hochempfindliche Aktuator entsprechend der vorliegenden Erfindung als
Stromunterbrechungsrelais eingesetzt wird; und
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Fig. 7 und Fig. 8 sind Schaltdiagramme für Modifikationen der vorliegenden
Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines hochempfindlichen Aktuators
entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 bis Fig. 5 dargestellt.
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Die mit einer Stromversorgung verbundenen Eingangsanschlüsse I1 und I2
sind über die feststehenden Kontakte a1 und b1, einen feststehenden Kontakt b1,
einen beweglichen Kontakt b2 und die Leiter L1 und L2 mit den
Ausgangsanschlüssen O1 und O2 verbunden, die jeweils an eine Last angeschlossen sind.
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Die beweglichen Kontakte a2 und b2 befinden sich an den Endabschnitten
der federnd beweglichen Platten E1 und E2, und die Vorsprünge K1 und K2 der
beweglichen Platten E1 und E2 drücken durch ihre Federkraft auf ein bewegliches
Element M.
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Das bewegliche Element M besteht aus einem breiten Abschnitt M2 und
einem schmalen Abschnitt M1. Wenn das bewegliche Element M bewegt wird, und
der schmale Abschnitt M1 gegen die Vorsprünge K1 und K2 stößt, werden die
Kontakte a1 und a2 sowie die Kontakte b1 und b2 geschlossen, wogegen die Kontakte
a1 und a2 sowie die Kontakte b1 und b2 geöffnet werden, wenn der breite Abschnitt
M2 gegen die Vorsprünge K1 und K2 stößt.
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Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist ein Ausgangsanschluß O1 über einen Leiter O1-
d auf einer Leiterplatte PCB mit einem Anschluß d der Magnetspule C verbunden.
Der andere Anschluß c1 der Magnetspule C ist über einen Leiter c1-S1 auf der
Leiterplatte PCB mit einem Sensorarischluß S1 verbunden. Der Sensoranschluß S1
ist außerdem mit einem Anschluß eines Reed-Schalters R verbunden. Der andere
Anschluß c2 des Reed-Schalters R ist über einen Leiter c2-S2 auf der Leiterplatte
PCB mit dem anderen Sensoranschluß S2 und dem anderen Ausgangsanschluß O2
verbunden.
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Die Magnetspule C ist auf einen Wickelkörper B gewickelt; und wenn ein
Strom durch die Spule C fließt, wird ein Magnetfeld innerhalb des Wickelkörpers B
aufgebaut. Ein Tauchkern PL1 und ein Tauchkernaufnehmer PL2 aus magnetischem
Material befinden sich innerhalb des Wickelkörpers B, und der Tauchkernaufnehmer
PL2 wird durch eine Feder SP zu einer Bewegung entgegengesetzt zum Tauchkern
PL1 gezwungen. Es gibt einen Zwischenraum GAP zwischen dem Tauchkern PL1
und dem Tauchkernaufnehmer PL2, und wenn ein festgelegter Strom durch die
Spule C fließt, kann der Tauchkern PL1 in Richtung des Tauchkernaufnehmers PL2
bewegt werden.
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Der Tauchkörper PL1 und das bewegliche Element M sind miteinander
verbunden. Demzufolge wird das bewegliche Element M bei einer Bewegung des
Tauchkerns PL1 in Richtung des Tauchkernaufnehmers PL2 ebenfalls in Bewegung
gesetzt, und die breiten Abschnitte M2 des beweglichen Elements M stoßen gegen
die Vorsprünge K1 und K2, so daß sich die Kontakte a1 und a2 sowie die Kontakte
b1 und b2 öffnen.
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Es kann sogar ein Strom durch die Magnetspule fließen, ohne daß der
Tauchkern PL1 bewegt wird, solange dieser Strom nur sehr gering ist und den festgelegten
Wert nicht erreicht. Es wird jedoch in diesem Moment ein magnetisches Streufeld im
Zwischenraum GAP zwischen dem Tauchkern PL1 und dem Tauchkernaufnehmer
PL2 aufgebaut. Um das magnetische Streufeld zu erkennen, ist der Reed-Schalter R
so angeordnet, daß die Kontakte des Reed-Schalters R sich nahe dem
Zwischenraum GAP zwischen dem Tauchkern PL1 und dem Tauchkernaufnehmer PL2
befinden. Da sich die Kontakte des Reed-Schaiters R in Nähe des Zwischenraums GAP
befinden, kann der Reed-Schalter R auch das magnetische Streufeld erkennen, das
von einem Strom erzeugt wird, der nicht den für das Bewegen des Tauchkerns PL1
erforderlichen festgelegten Wert erreicht, und der Reed-Schalter R wird in diesem
Moment geschlossen.
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Daraus ergibt sich, daß beide Anschlußseiten der Magnetspule C direkt mit
der Stromversorgung verbunden sina. Dementsprechend fließt der festgelegte Strom
durch die Magnetspule, und der Tauchkern PL1 wird gegen den
Tauchkernaufnehmer PL2 bewegt, so daß das bewegliche Element M ebenfalls bewegt wird, um die
Kontakte a1 und a2 sowie die Kontakte b1 und b2 zu öffnen und die
Stromversorgung zu unterbrechen.
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Bei einer Unterbrechung der Stromversorgung wirkt auch nicht mehr die auf
den Tauchkern PL1 wirkende Kraft, wodurch dieser Zustand beibehalten wird. Um
die Beibehaltung dieses Zustands zu erzwingen, befindet sich - wie in Fig. 2
dargestellt - ein Vorsprung MO zwischen dem schmalen Abschnitt M1 und dem breiten
Abschnitt M2 des beweglichen Elements M. Somit greift der Vorsprung M0 in die
Vorsprünge K1 und K2 der Federn E1 und E2, um eine Bewegung des beweglichen
Elements zu verhindern.
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Der Tauchkernaufnehmer PL2 wird durch die Feder SP ständig zu einer
Bewegung entgegengesetzt zum Tauchkern PL1 gezwungen, obwohl der
Tauchkernaufnehmer PL2 durch Drücken einer Rücksetztaste von außen zum Tauchkern
PL1 bewegt werden kann. Durch das Drücken der Rücksetztaste N, wenn der
Tauchkern PL1 in Richtung Tauchkernaufnehmer PL2 bewegt wird und in Kontakt
mit dem Tauchkernaufnehmer PL2 kommt, wird der Tauchkern PL1 vom
Tauchkernaufnehmer PL2 gedrückt und in Bewegung gesetzt. Infolgedessen wird auch
das bewegliche Element M bewegt, und der schmale Abschnitt M1 des beweglichen
Elements stößt gegen die Vorsprünge K1 und K2, so daß die Anschlüsse a1 und a2
sowie die Anschlüsse b1 und b2 geschlossen und die Eingangsanschlüsse I1 und I2
sowie die Ausgangsanschlüsse O1 und O2 elektrisch verbunden werden.
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Die Rücksetztaste ist von einer Abdeckung aus flexiblem Kunstharz
abgedeckt, und auch der gesamte Aktuator ist bis auf die Eingangsanschlüsse I1 und I2.
die Ausgangsanschlüsse O1 und O2 sowie die Sensoranschlüsse S1 und S2
wasserdicht in einem Gehäuse aus isolierendem Material untergebracht.
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Wenn der Tauchkern PL1 angezogen und der Zwischenraum GAP zwischen
dem Tauchkern PL1 und dem Tauchkernaufnehmer PL2 auf Null reduziert wird, wird
auch das Magnetfeld zwischen den Kontakten des Reed-Schalters abgeschwächt
oder sogar auf Null reduziert, so daß der Reed-Schalter abgeschaltet (geöffnet)
wird. Dementsprechend wird der durch die Magnetspule fließende Strom wieder auf
seinen ursprünglichen Wert zurückgesetzt. Wenn der durch das Ansteuern der
Magnetspule entstehende Faktor zum Betätigen des Reed-Schalters wegfällt, wird
der Strom noch weiter abgeschwächt. Das heißt, es handelt sich um eine kurzzeitige
Betätigung, bei der nur kurzzeitig ein Strom durch die Magnetspule fließt. Da also
kein Strom zum Aufrechterhalten des betätigten Zustands erforderlich ist, wird die
Magnetspule nicht aufgeheizt, und der Betrieb ist stabil und weist einen geringeren
Energieverbrauch auf.
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Fig. 7 ist ein Schaltdiagramm für eine Modifikation der vorliegenden
Erfindung.
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Hier besteht eine Magnetspule aus den beiden in Reihe geschalteten Spulen
C1 und C2. Beide Spulen sind über einen Reed-Schalter R miteinander verbunden.
Der Reed-Schalter R befindet sich nahe dem Zwischenraum zwischen dem
Tauchkern und dem Tauchkernaufnehmer wie das bereits in Fig. 1 dargestellt wurde.
Beide Anschlüsse des Reed-Schalters R sind mit den Anoden der Dioden D1 und
D2 verbunden. Die Kathoden der Dioden D1 und D2 sind miteinander verbunden
und außerdem mit dem Sensoranschluß S verbunden.
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Im Wartezustand fließt kein Strom durch die Magnetspule. Wenn jedoch der
Widerstand zwischen dem Sensoranschluß 5 und einer Masseleitung G oder einer
spannungsführenden Leitung V sinkt (beispielsweise wenn Wasser eindringt und die
Isolation sinkt), fließt ein Halbwellenstrom durch die Magnetspule. Wenn der Reed-
Schalter R ein durch diesen Halbwellenstrom aufgebautes magnetisches Streufeld
erkennt und in den geschlossenen Zustand umschaltet, wird die Spannung der
Stromversorgung direkt an die Magnetspule gelegt. In diesem Fall zeichnet sich die
Schaltung dadurch aus, daß selbst bei reduziertem Widerstand zwischen der
Sensorelektrode S und der Masseleitung G und selbst bei reduziertem Widerstand
zwischen der Sensorelektrode S und der spannungsführenden Leitung V die
Schaltung betätigt wird.
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Die Anoden- und Kathodenanordnung der Diode kann auch umgekehrt sein.
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Fig. 8 ist ein Schaltdiagramm für eine weitere Modifikation der vorliegenden
Erfindung.
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Auch hier besteht die Magnetspule aus zwei in Reihe geschalteten
Magnetspulen C1 und C2, und beide Spulen C1 und C2 sind durch den Reed-Schalter R
miteinander verbunden, der sich nahe dem Zwischenraum zwischen dem Tauchkern
und dem Tauchkernaufnehmer befindet.
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Ein Anschluß des Reed-Schalters R ist an die Anode der Diode D
angeschlossen, und der andere Anschluß des Reed-Schalters R ist mit einem
Anschluß eines Kondensators Ca verbunden. Die Kathode der Diode D und der
andere Anschluß des Kondensators Ca sind miteinander verbunden und außerdem
mit dem Sensoranschluß 5 verbunden.
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Im Wartezustand fließt kein Strom durch die Magnetspule. Wenn jedoch der
Widerstand zwischen dem Sensoranschluß 5 und einer Masseleitung G oder einer
spannungsführenden Leitung V sinkt, beginnt ein Strom durch die Diode oder den
Kondensator zu fließen. Demzufolge erkennt der Reed-Schalter R in der gleichen
Weise wie in Fig. 1 und Fig. 7 ein magnetisches Streufeld und schaltet in den
geschlossenen Zustand um.
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In diesem Fall ist ein einziger Sensoranschluß ausreichend, was eine
erleichterte Montage ermöglicht.