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Elektrische Anordnung für die Betätigung mehrerer zeitlich aufeinanderfolgender
Schaltoperationen In der Technik sind zahlreiche Anordnungen auf mechanischer, elektrischer,
thermodynamischer und anderen Grundlagen bekannt, mit der Aufgabe, einen gewünschten
Vorgang, beispielsweise die Betätigung eines Schalters, eines Ventils oder einer
Kupplung, erst eine gewisse Zeit nach dem Eintreten eines ersten Schaltvorganges
erfolgen zu `lassen.
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Es sind auch Geräte bekannt, die mehrere hintereinanderliegende Schaltoperationen
mit dazwischenliegenden gleichen oder verschiedenen Zeitintervallen nach einem festen,
einmalig eingestellten Programm ablaufen lassen, wie es beispielsweise bei Lichtreklameanlagen
seit langem gebräuchlich ist.
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Die Änderung dieses Programms ist bei diesen Schaltwerken aber im
allgemeinen nur mit erheblichem Zeitaufwand, meist sogar nur unter Benutzung von
Werkzeugen, möglich. Keinesfalls aber sind Skalen vorgesehen, die eine Einstellung
der einzelnen Werte erleichtern.
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Weiterhin sind Schaltuhren, Laufwerke, Synchronmotoren und andere
Verzögerungsanordnungen bekannt, die nur einen Betätigungs- oder Schaltvorgang nach
einer Zeit durchzuführen gestatten, die sich in weiten Grenzen sehr einfach, beispielsweise
durch Verdrehen eines Knopfes bei gleichzeitiger Ablesung auf einer Skala, jederzeit,
auch während des Betriebes, ändern läßt.
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Es sind auch Schaltuhren bekanntgeworden, die eineAnzahl zeitlich
hintereinanderliegender Schaltoperationen nach einem Programm abwickeln, das durch
die gegenseitige Stellung von Schaltnocken auf dem Rande einer umlaufenden Scheibe
fest
gelegt ist und nach Stillsetzei des Schaltwerkes durch Verstellen
der Schaltnocken beliebig geändert werden kann. Die Gesamtlaufzeit der Scheibe aber
ist durch das übersetzungsverhältnis des Antriebes festgelegt und kann daher während
des Betriebes nicht geändert werden. Eine Änderung der einzelnen Zeitintervalle
unabhängig voneinander ist außerdem unmöglich; soll nur ein Intervall geändert werden,
so müssen alle folgenden Schaltnocken auch dann verstellt werden, wenn die zu ihnen
gehörenden Zeitintervalle an sich unverändert bleiben sollen. Die Zahl der Kontakte
dieser Schaltuhren ist weiterhin begrenzt, außerdem kann die gegenseitige Zuordnung
der einzelnen Schaltoperationen bei diesen Schaltuhren nicht völlig willkürlich
festgelegt werden, so daß eine Steuerung mehrerer Objekte mit verschiedenen Programmen
durch nur eine Uhr fast unmöglich sein wird.
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Es sind außerdem Schaltwerke, beispielsweise zur Ein-, Aus- und Umschaltung
von Rundfunkgeräten auf verschiedene Wellenlängen und damit Sender bekannt, bei
denen mehrere elektrische Kontakte auf einem Schlitten angeordnet sind. der durcheine
Schraubenspindel an einer Lochkarte vorbeigeführt wird. Durch die in der Lochkarte
dafür vorgesehenen Löcher werden die Kontakte nacheinander betätigt und so das jeweilige
Programm zum Ablauf gebracht. Bei Programmänderungen ist die Anfertigung einer neuen
Lochkarte erforderkch.
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Besteht aber wie bei der Steuerung von automatisch arbeitenden Maschinen,
wie Druckerei-, Papier-, Textil- und Werkzeugmaschinen und Kunststoff- und Metallpressen,
sowie Reklameanlagen die Aufgabe; mehrere Schaltvorgänge nacheinander nach einem
bestimmten zeitlichen Programm zu betätigen, das auch während des Betriebes beliebig
in einfacher Weise geändert «-erden kann, so erfordert die Lösung dieser grundsätzlich
einfachen Aufgabe fast in jedem Fall einen beträchtlichen Aufwand, da man gezwungen
ist. entweder für jedes der geforderten Zeitintervalle eine besondere Verzögerungsanordnung
zu benutzen oder aber eine für alle Zeitintervalle gemeinsame, beispielsweise mechanische
Anordnung zu benutzen, bei der alle Zeitintervalle durch besondere Einstellglieder
veränderbar gemacht sind.
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Das erfindungsgemäßeVerfahren vermeidet diese Nachteile durch Verwendung
der in der Elektrotechnik bekannten Kippschaltung, bei der die Zeit für die Ladung
eines Kondensators über einen Widerstand bis zu einer durch die Zündspannung einer
Glimmstrecke gegebenen Grenze für die Erzeugung der Schaltverzögerung ausgenutzt
wird. An Stelle einer Glimmstrecke kann auch ein gittergesteuertes Gasentladungsrohr
mit geheizter oder kalter Kathode oder ein Elektronenrohr tret°ii, je-
doch
ändert sich dadurch der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung nicht.
E An Stelle der bekannten Kippschaltung, bei der die Ladezeit eines Kondensators
die Bildung eines gewünschten Zeitintervalles bewirkt, läßt sich grundsätzlich insbesondere
unter Verwendung von gittergesteuerten Elektronen- oder Gasentladungsi röhren auch
die Entladungszeit eines Kondensators über einen bestimmten Widerstand für den gleichen
Zweck benutzen. Die bekannte Kippschaltung, insbesondere mit einer gewöhnlichen
Glimmstrecke, hat aber den Vorzug der großen Betriebssicherheit und Einfachheit.
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Die einfachste Anordnung gemäß der Erfindung besteht aus der oben
angeführten Kippschaltung, deren Ladewiderstand durch einen elektrisch betätigten
Umschalter verändert werden kann, der selbst mittelbar oder unmittelbar durch den
in der Glimmstrecke fließenden Entladestrom des Kondensators gesteuert wird. Ein
zweiter, mit dem ersten zusammengebauter Umschalter betätigt gleichzeitig in beliebiger
zeitlicher Aufeinanderfolge die verschiedenen gewünschten Schaltoperationen. Auf
diese Weise können so viel verschiedene Schaltoperationen nacheinander mit verschiedenen
dazwischenliegenden, beliebig einstellbaren Zeitintervallen betätigt werden, wie
Schaltkontakte auf jedem derUmschalter vorhanden sind. Derartige mehrfache Umschalter
sind in der Fernmelde- und Fernwirktedhnik als Schrittschaltw erke und Drehwähler
bekannt.
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Die verschiedenen, jedem Schaltvorgang entsprechenden Ladewiderstände
können entweder in der erforderlichen Anzahl als Regelwiderstände einzeln durch
das Schrittschaltwerk eingeschaltet «-erden, oder es kann ein gemeinsamer Regelwiderstand
mit mehreren Kontaktgleitbahnen benutzt werden, dessen verschiedene vorher willkürlich
eingestellte Anzapfwerte durch das Schrittschaltwerk nacheinander für die verschiedenen
Zeitintervalle eingeschaltet werden.
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Läßt sich ein großes Zeitintervall infolge der unvermeidlichen Isolationsfehler
des Kondensators C und der übrigen an ihm angeschlossenen Schaltungselemente nicht
mehr mit genügender Sicherheit und Genauigkeit in einem Ladevorgang beherrschen,
so kann es auf mehrere Schaltschritte I mit entsprechend kleineren Zeitintervallen
aufgeteilt werden.
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An Hand der Abb. z seien der Aufbau und die Arbeitsweise einer derartigen
Schaltung am Beispiel einer Steuerung für eine elektromotorisch betriebene Kunstharzpresse
näher erläutert. In der Kunstharzpreßtechnik ergeben sich je nach der Art des verpreßten
Kunststoffes und nach der Form des Preßstückes sehr mannigfaltige Steueraufgaben,
die bisher im wesentlichen auf mechanischem Wege gelöst wurden und wobei man mit
einer Kombination von Schaltern arbeitete, die teilweise durch den Preßstempel -selbst,
teilweise durch mechanische Zeituhren oder elektrische Synchronuhren betätigt wurden.
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Hier soll nur eine dieser Steueraufgaben herausgegriffen werden, die
aber im wesentlichen alle praktisch erforderlichen Teilaufgaben in sich einschließt.
Aus dem Zeitwegdiagramm der Abb. a ist die Aufgabestellung zu erkennen.
Der
Preßstempel mit senkrechter Bewegungsrichtung soll sich nach dem einmaligen Betätigen
eines Druckknopfkontaktes von seiner oberen Ruhelage aus zunächst so lange abwärts
bewegen, bis die Preßmasse im Werkzeug gerade unter einen verhältnismäßig kleinen
Druck kommt.
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Danach soll der Stempel eine gewisse willkürlich einstellbare Zeit
stehenbleiben, um anschließend bis in seine unterste Stellung abwärts gedrückt zu
werden, wo er wiederum eine willkürlich einstellbare Zeit verharren soll.
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Im Anschluß daran soll sich der Preßstempel um einen gewissen einstellbaren
Betrag heben oder lüften, um anschließend wieder in seine untere Endstellung zu
gehen, in der er so lange verbleibt, bis das Werkstück ausgehärtet ist und das Werkzeug
durch Heben des Preßstempels geöffnet werden kann.
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Um auch bei falscher Einstellung der Steuerung mit Sicherheit eine
mechanischeüberbeanspruchung der Presse zu vermeiden, ist der Stempel oder das ihn
antreibende Getriebe mit zwei Anschlägen bzw. Nocken versehen, die in seiner oberen
bzw. unteren Endstellung die in Abb. i gezeichneten Endschalter ESO bzw. ASU betätigen
und damit den mit elektrisch gelüfteter Bremse ausgerüsteten Motor M sofort stillsetzen,
indem sie den Strom in den Spulen Spl und Spe zweier Schütze für die Auf-und Abwärtsbewegung
des Preßstempels unterbrechen.
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In der Abb. i ist außerdem der mehrfach angezapfte Ladewiderstand
W für die Ladung des Kondensators C zu erkennen, während die Gleichspannungsquelle
der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurde. Steht nur ein Drehstromnetz zur
Verfügung, so kann hierfür ein Selengleichrichter kleiner Leistung benutzt werden,
wie er für Rundfunkgeräte üblich ist. Das Schrittschaltwerk trägt zwei Kontaktbahnen,
die den in der Abbildung gezeigten Umschaltern Schl und Sch, entsprechen. Es wird
durch den Elektromagneten Mt betätigt, der durch die gleiche Gleichspannungsquelle
gespeist wird, die auch für die Ladung des Kondensators C benutzt wird. Das Relais
R trägt die Arbeitskontakte r1 und r3 und den Ruhekontakt r2.
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Im Ruhezustand stehen die Schaltarme des Schrittschaltwerkes so, wie
sie in der Abbildung gezeichnet sind (Stellung (l). Wird nun der Druckknopfkontakt
D gedrückt, so wird der Kondensator C über den fest eingestellten sehr kleinen Teil
des Widerstandes u' sehr schnell aufgeladen, und nach sehr kurzer Zeit ist die Kondensatorspannung
UC so groß, daß die Glimmlampe GL zündet und das Relais R anspricht. In diesem Augenblick
verhindert der Ruhekontakt r., eine weitere Ladung des Kondensators C, während der
Arbeitskontakt r1 die völlige Entladung des Kondensators C über das Relais einleitet,
das durch eine Kurzschlußwicklung oder ein Kupferrohr in der üblichen Weise verzögert
werden kann. Während der Entladung des Kondensators C wird der Magnet
Mt durch den Kontakt y3 betätigt, der das Schrittschaltwerk um einen Schritt
in die Stellung i weiterschaltet. Nach dem Abfallen des Relais R wird daher der
Kondensator erneut in einer Zeit geladen, die der Anzapfung an den Widerstand W
entspricht und somit willkürlich eingestellt werden kann. Gleichzeitig wird aber
auch der Umschalter Sch 2 so gestellt, daß die Schützspule Spl Strom erhält
und den Motor für die Abwärtsbewegung des Preßstempels so lange einschaltet, bis
die Glimmlampe Gl zündet und das Relais R und der Magnet Mt betätigt werden,
wodurch das Schrittschaltwerk in die Stellung 2 gebracht wird. Bei der vorausgesetzten
Aufgabestellung ist die der Schrittschaltwerkstellung i entsprechende Kondensatorladezeit
kleiner eingestellt als die Zeit, die der Preßstempel benötigt, um von der oberen
in die untere Endstellung zu gelangen.. Außerdem werden vor der Inbetriebsetzung
der Presse der Schalter S1 geöffnet und die Schalter S2 und S3 geschlossen. Der
Preßstempel wird daher, nachdem er sich in der Stellung i des Schritbschaltwerkes
abwärts bewegt hati, beimÜbergang von Stellung i auf Stellung 2 vor der Endstellung
stehenbleiben, da die Schützspule Spl jetzt so lange stromlos wird, bis das Schrittschaltwerk
durch eine neue Kondensatorentladung in die Stellung 3 gelangt, in der (bei geschlossenem
Schalter S2) die SchützspuleSpl wieder Strom erhält. Der Preßstempel bewegt sich
dann weiter abwärts und erreicht seine Endstellung, wenn die der Stellung 3 des
Schrittschaltwerkes entsprechende Ladezeit mindestens so groß ist wie die Zeit,
die der Preßstempel für den Weg bis zur Endstellung benötigt, wo er durch die öffnung
des Endschalters ESU stillgesetzt wird. Entsprechend der Einstellung des Widerstandes
bzw. der Ladezeit des Kondensators verharrt nun der Preßstempel eine gewisse Zeit
in der unteren Endstellung. Danach aber gelangt das Schrittschaltwerk in die Stellung
q., wo bei geschlossenem Schalter S3 die Schützspule Spe Strom erhält, während Spl
stromlos wird, so daß der Motor rückwärts läuft und den Preßstempel so lange hebt,
bis die der Stellung q. entsprechende Ladezeit abgelaufen ist. In diesem Augenblick
schaltet das Schrittschaltwerk um auf die Stellung 5, der Strom in Spe verschwindet,
während Spl wieder Strom erhält und den Preßstempel abwärts steuert, bis der Endschalter
ESU den Motor wieder ausschaltet.
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Es besteht nun die Aufgabe, den Preßstempel für eine Zeit ruhen zu
lassen, die im Verhältnis zu den bisherigen Zeitintervallen verhältnismäßig groß
ist und die mit der normalen Kippschaltung unter Umständen nicht mehr mit genügender
Genauigkeit eingehalten werden kann, insbesondere dann, wenn die Isolationsfehlerwiderstände
des Kondensators, des Ladewiderstandes, der Glimmstrecke und der Leitungen mit der
Größe des Ladewiderstandes vergleichbar werden.
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Nach der Erfindung werden derartige große Zeitintervalle dadurch mit
hoher Genauigkeit eingehalten, daß sie in mehrere untereinander vorzugsweise gleich
große Teilabschnitte zerlegt werden, die in einer bestimmten Zahl von Wiederholungen
nacheinander von der Kippschaltung
zusammen mit dem Schrittschaltwerk
durchlaufen werden, ohne daß während dieser Zeit eine Änderung des Schaltzustandes
eintreten muß.
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Für diesen Fall und das obige praktische Beispiel geht die Wirkungsweise
ohne weiteres aus der Abb. z hervor. Da der der Stellung 5 entsprechende Kontakt
des Umschalters Schi mit den weiter folgenden Kontakten verbunden ist, folgen von
dieser Stellung des Schrittschaltwerkes an die einzelnen Lade- und Entladevorgänge
mit untereinander gleichere Zeitabstand aufeinander, der durch den gemeinsamen Abgriff
am Widerstand f' eingestellt werden kann.
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Die Gesamtzeit T ist dann T = ya - t, wenn -;a.
die Anzahl, der parallel geschalteten Kontakte auf dem Umschalter Schi und
t die Ladezeit des Kondensators C zusammen mit dem eingestellten Widerstand
W ist.
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Während der gesamten Zeit T bleibt der Motor der Presse stehen, da
auf dem Umschalter Sch., der sechste und alle folgenden Kontakte frei bleiben. Erst
der letzte Kontakt gibt wieder Strom auf die Schutzspule Spe, so daß nach Ablauf
der Zeit T der Motor rückwärts läuft und den Preßstempel bis zur oberen Endstellung
hebt, wo er durch den Endschalter ESO stillgesetzt wird. Gleichzeitig oder je nach
der Einstellung der entsprechenden Anzapfung am Widerstand W kurz danach laufen
die bisher unbenutzten Enden der Schaltarme von Schi und Sch, auf den Kontakt 0
auf, so daß das Schrittschaltwerk zur Ruhe kommt, bis ein neuer Arbeitszyklus durch
Betätigung des Druckknopfes D eingeleitet wird.
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Für den Betrieb einer Kunststoffpresse hat die oben beschriebene Steuerung
den großen Vorteil, daß sie sich außerordentlich einfach den verschiedenen gewünschten
Arbeitsgängen anpassen läßt. Sämtliche Zeiten lassen sich jederzeit, auch während
des Betriebes, mit Leichtigkeit durch Ändern der Anzapfungen des Widerstandes W
oder der einzelnen dazu vorgesehenen Regelwiderstände verändern, um vor allem bei
der ersten Erprobung eines neuen 1Verkzeuges schnell die günstigsten Betriebsbedingungen
zu erhalten. Durch Betätigen der Schalter S1, S#, und S, können einzelne Vorgänge,
wie z. h. das sogenannte Lüften (Öffnen von Schalter S,) oder das Stehenbleiben
des Preßstempels vor der Endstellung zur Erzielung eines Vordruckes (Schließen von
Schalter S1), ganz weggelassen werden. Andererseits lassen sich aber auch einzelne
Zeitintervalle oder auch ganze Gruppen von Zeitintervallen ein oder mehrere Maie
wiederholen, ohne daß deshalb eine weitere Anzapfung am Widerstand W vorzusehen
ist. Man braucht nur die entsprechenden Anzapfüngen am Umschalter Schi mit mehreren
parallel geschalteten Kontakten oder Kontaktgruppen zu verbinden. Auf diese Weise
läßt sich bei der vorliegenden Steueraufgabe beispielsweise das Lüften mehrere Male
immer hintereinander mit der gleichen Dauer bzw. Höhe durchführen.
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Alle Zeit- und damit auch Hubwerte sind außerdem reproduzierbar, da
der oder die Regelwiderstände mit Skalen versehen sind. Beim Austausch eines Werkzeuges
braucht die richtige Einstellung also nicht wie bisher zum Teil durch langwieriges
mehrfaches Einstellen von Schaltnocken gesucht zu werden, wenn sie von der letzten
Benutzung her noch bekannt waren.
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Selbstverständlich kann die Anordnung für andere Zwecke in mannigfaltiger
Weise abgewandelt werden. Mit Leichtigkeit lassen sich auch mehrere Motoren einer
automatischen Maschine und dazu gleichzeitig noch andere Apparate, wie Bremslüftmagneten,
elektrisch betätigte Ventile oder Drosselklappen, magnetische Spannplatten, Heizgeräte,
Lampen, fiochfreduenzerzeuger oder Strahlungsgeräte, in fast jeder beliebigen Weise
steuern. Reicht für den beabsichtigten Zweck ein Umschalter Sch,. nicht aus, so
können ohne weiteres auch mehrere an seiner Stelle verwendet werden, da die in der
Fernmeldetechnik benutzten Drehwähler je nach Bedarf mit zahlreichen Kontaktbahnen
hergestellt werden. Bei Verwendung mehrfacher Umschalter lassen sich Steuerungen
verwirklichen, bei denen sich die einzelnen Zeitintervalle für verschiedene zu betätigende
Geräte gegenseitig überlappen. Während z. B. ein Motor eine gewisse gewünschte Zeit
läuft, können andere Motoren oder Geräte in verschiedenster Weise ein-und ausgeschaltet
werden, indem für den ersten Motor mehrere aufeinanderfolgende Kontakte einer Kontaktbahn
parallel geschaltet werden und für die anderen Motoren oder Geräte eine oder mehrere
andere Kontaktbahnen benutzt werden, in denen wiederum nach Bedarf einzelne oder
mehrere Kontakte in beliebiger Anordnung parallel geschaltet werden können.
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Durch Verwendung von Kreuzschienenverteilern, deren beispielsweise
senkrechte Schienen mit den Steuerkontakten des Schrittschaltwerkes und deren waagerechte
Schienen mit den zu steuernden Geräten oder deren Betätigungsschützen verbunden
werden, können mit Leichtigkeit weitgehende Änderungen in der Arbeitsweise einer
ganzen Anlage durchgeführt werden, ohne daß zeitraubende Arbeiten an der Verschaltung
notwendig werden.
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Durch Einfügen von handbetätigten Schaltern oder Druckknopfkontakten
in die verschiedenen Verbindungen von dem mehrfach regelbaren Ladewiderstand oder
den mehreren Regelwiderständen zu dem für die Kippschaltung vorgesehenen Umschalter
Schi läßt sich der programmäßige Ablauf des Steuervorganges bei Bedarf an jeder
beliebigen Stelle unterbrechen, wodurch sich Prüfungen und Berichtigungen etwa vorkommender
Fehler sehr leicht durchführen lassen.
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Kontinuierlich arbeitende Steuerungen lassen sich ebenso einfach bauen
wie solche, bei denen wie in dem oben beschriebenen Beispiel immer nur ein Arbeitszyklus
von Hand betätigt wird. Selbst bei verwickelten Steueraufgaben sind nur außerordentlich
wenig bewegte Teile erforderlich. Sieht man von etwaigen Schützen für die Schaltung
der Motoren und Geräte ab, so bewegen sich in der An- , ordnung nur der Anker und
die Kontakte des
Relais R sowie die miteinander verbundenen Schaltarme
mit dem Sperrad und der Anker des Magneten eilt mit seiner Sperrklinke. Es sind
keine Uhrwerke, Zahnradgetriebe und schnellaufende Achsen vorhanden.
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Die Schrittschaltwerke werden von der Industrie für fernmeldetechnische
Zwecke laufend in allen erforderlichen Ausführungen hergestellt. Es ist nur nötig,
die Isolation der Schaltarme und Kontaktbahnen den auftretenden höheren Spannungen
anzupassen, was sich praktisch leicht durchführen läßt. Reicht die auf einem einzelnen
Schrittschaltwerk unterzubringende Zahl von Umschaltern für den beabsichtigten Zweck
nicht aus, so können ohne weiteres mehrere Schrittschaltwerke parallel geschaltet
werden.
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An Stelle der Schrittschaltwerke können grundsätzlich wie in der Selbstanschlußtechnik
auch mehrere gewöhnliche Klappankerrelais je mit mehreren Kontakten zu einer Relaiskette
zusammengeschaltet werden, wobei die einzelnen Relais sowohl die Umschaltung der
Zeitkonstanten des Kippkreises wie auch die Betätigung der zu steuernden Geräte
übernehmen.
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Die zeitliche Genauigkeit der Kippschaltung ist bekanntlich außer
von der Konstanz der Kapazitäten und Widerstände und von der Güte der Isolationswerte
auch von der Konstanz der Netzspannung abhängig. Um deren Schwankungen unwirksam
zu machen, können Glimmstrecken, insbesondere in Verbindung mit stromabhängigen
Widerständen, oder auch magnetische Spannungsgleichhalter oder ähnliche Anordnungen
benutzt werden.
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Die Zeitsteuerung nach der Erfindung kann benutzt werden im Werkzeugmaschinen-
und Automatenbau, in der Papier- und Druckereitechnik. in der Glasindustrie (automatische
Glasblasemaschinen), in der Textilindustrie, bei der Steuerung komplizierter Webstühle,
in der chemischen und der Kunststoffindustrie, in Walzwerksbetrieben, bei der selbsttätigen
Inbetriebsetzung ganzer Kraftwerke, Pumpwerke, Funksender und ähnlicher Anlagen
sowie in der Reklametechnik.