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Elektromagnetisches Signalhorn mit kontaktlos gesteuerter Membranbewegung
Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Signal -horn mit einem an seiner
Membrane befestigten, von einem fest angeordneten Eisenkern mit Erregerwicklung
anregbaren Schwinganker, deren Durchflutung in Abhängigkeit von der Membranbewegung
kontaktlos gesteuert ist.
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Ein Signalhorn dieser Art ist aus der FR-PS 1 428 483 bekannt. Dort
steuert ein auf die Eigenresonanz der bewegten Teile des Signalhornes abgestimmter,
selbst -schwingender Verstärker die Durchflutung der Erreger -wicklung und damit
die Bewegung des Schwingankers in Eigenresonanz. Eine zugleich von der Schwingankerbewegung
induktiv erzeugte Wechselspannung wird phasenrichtig in die Resonanzschaltung des
Verstärkers rückgeführt, um bei etwaigen Abweichungen zwischen elektrischer Schwingfrequenz
und tatsächlicher mechanischer Schwingfrequenz die Resonanzfrequenz des elektrischen
Schwing -kreises nachzuführen.
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Ersichtlich ist eine solche Schaltung, die den Schwinganker mit seiner
mechanischen Resonanzfrequenz sinusförmig anregt, erheblich aufwendiger, als die
herkömmliche Unterbrecherschaltung eines mit der Erregerwicklung des Signalhornes
in Serie geschalteten Kontaktunterbrechers nach Art des sog. Wagner'schen Hammers.
Andererseits ist ein derartiger herkömmlicher Kontaktunterbrecher störanfällig,
insbesondere einem erheblichen Versc-hleiß unterworfen. Gerade bei Signalhörnern,
wie sie etwa für Feuerwehr-, Unfall- und andere Behördenfahrzeuge verwendet werden,
ist aber großer Wert auf zuverlässige Betriebs -weise und lange Lebensdauer, insbesondere
also auf Aus -schaltung der mechanischen Störquellen, zu legen.
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Aurgabe der Erfindung ist es demzufolge, ein Signalhorn der eingangs
genannten Art anzugeben, das einerseits ohne den herkömmlichen mechanischen Kontaktunterbrecher
arbeitet, andererseits aber auch nicht den schaltungs -technischen Aufwand des bekannten
kontaktlos mit einer Oszillatorfrequenz zwangsgesteuerten Signalhornes aufweist.
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-Diese Aufgabe wird bei einem elektromagnetischen Signalhorn
der
eingangs genannten Art dadurch gelöst daß am Schwinganker ein die induktive Kopplung
zwischen zwei Spulen eines Übertragers in Abhängigkeit von der Momentanstellung
des Schwingankers bestimmendes ferromagne -tisches Bauteil befestigt ist und daß
der Übertrager die induktive Mitkopplungsschaltung eines oberhalb Signalhorn-Frequenz
schwingenden Oszillators ist, an den über eine Demodulationsstufe und eine Schaltstufe
ein elektronisches Stellglied angeschlossen ist, das mit der Erregerwicklung in
Reihe geschaltet ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Lösung ist einerseits der störanfällige
mechanische Kontaktunterbrecher durch eine betriebssichere und preiswerte kontaktlose
Steuerung ersetzt, ohne andererseits wie bei der vorbekannten Signalhorn-Ansteuerung
den Aufwand für eine Anpassung der Os -zillatorfrequenz an die momentane Eigenfrequenz
der schwingenden Teile des Signalhornes treiben zu müssen.
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Vielmehr ist gegenüber der vorbekannten Lösung die be -währte, funktionell
einfachere Betriebsweise der Schwingungsanregung infolge Erregerkreisunterbrechung
beibe -halten. Da keine kontinuierliche, z.B. sinusförmig schwankende, Einspeisung
in die Erregerwicklung erfolgt, sondern ein Schaltbetrieb entsprechend der Betriebsart
mit mechanischem Kontaktunterbrecher, ist auch im übrigen ein gegenüber der vorbekannten
Lösung sparsamerer und betriebssichererer Aufbau der elektrischen Schaltung erzielbar,
indem das mit der Erregerwicklung in Reihe geschaltete elektronische Stellglied
im verlustarmen Schaltbetrieb angesteuert wird.
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Da die Oszillatorfrequenz spürbar oberhalb der Signal -hornfreuqenz
liegt, ist ein wenig aufwendiger Aufbau des Oszillators möglich, zumal es weder
auf den absoluten Wert der Oszillatorfrequenz noch auf eine konstante Beibehaltung
dieser Frequenz wesentlich ankommt. Vielmehr
liefert der Oszillator
lediglich eine Trägerschwingung, die nach Maßgabe der iNomentanstellung des Schwingankers
moduliert wird. Da die Modulation über die schwingungeerzeugende Mitkopplung des
Oszillators selbst erfolgt, wird durch die Bewegung des am Schwinganker befestigten
ferromagnetischen Bauteiles sowohl die Oszillatorfre -quenz als auch die Amplitude
der Oszillatorschwingung moduliert Das Ausgangssignal einer dem Oszillator nachgeschalteten
Demodulationsstufe charakterisiert die Momentanstellung des Schwingankers und bestimmt,
bei Überschreiten bzw.
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bei Unterschreiten eines charakteristischen Wertes, über das elektronische
Stellglied das Ein- bzw. Ausschalten des durch die Erregerwicklung des Signalhornes
fließen -den Stromes, entsprechend der periodischen Stromunterbrechung beim herkömmlichen
mechanischen Kontaktunterbrecher.
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Es ist eine Frage der Gegebenheiten im konkreten Anwen -dungsfalle,
welche Art einer Demodulationsstufe hinter dem Oszillator Verwendung findet. In
Umgebung starker elektrischer Störungen ist eine Frequenzdemodulation mittels eines
dafür bekannten Ratiodetektors vorzuziehen, da elektrische Störungen sich bekanntlich
vorwiegend als Spannungsschwankungen auswirken, die sich dem Nutzsignal für die
Ansteuerung des elektronischen Stellgliedes störend überiagern können.
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Sofern die Störsituation nicht kritisch ist, kann, nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung, die Demodulationsschaltung zweckmäßigerweise als Amplitudendetektor
auf -gebaut sein, was gegenüber einer Auswertung von Frequenzschwankungen mittels
eines Ratiodetektors den Vorteil geringeren schaltungstechnischen Aufwandes hat.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus
nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein elektromagnetisches Signalhorn, das
mit einem kontakt losen Unterbrecher nach einem ersten Ausführungsbeispiel zur Erfindung
ausgestattet ist, Fig. 2 einen Querschnitt nach Fig. 1 mit einem kontaktlosen Unterbrecher
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zur Erfindung, Fig. 5 ein Blockschaltbild
für einen mit einem kontaktlosen Unterbrecher nach Fig. 1 oder Fig. 2 zusammenwirkenden
elektronischen Schaltungsteil und Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild als Ausführungsbeispiel
zum Blockschaltbild nach Fig. 3.
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Bei den in Fig. 1 und Fig. 2 in Querschnitts-Darstellung gezeigten
Ausführungsbeispielen für Signalhörner 10, die mit kontaktlosen Unterbrecherschaltungen
nach der Erfindung ausgestattet sind, ist jeweils ein becherförmiges Gehäuse 11
durch eine über dessen Stirnseite verspannte Membrane 12 verschlossen. Die Membrane
12 trägt an ihrer Vorderseite einen Schwingteller 13; an ihrer gegenüberliegenden
Seite ist sie an einem Schwinganker 14 befestigt. Der Schwinganker 14 wirkt mit
einem Eisenkern 15 zusammen, der am Boden des Gehäuses 11 befestigt ist und eine
Erregerwicklunge6 trägt. Die Erregerwicklung 16 ist über die unten näher zu beschreibende
kontaktlose Unterbrecherschaltung sowie über ein in Fig. 1 und Fig. 2 nur symbolisch
angedeutetes Anschlußkabel 17 an eine in Fig. 1 und Fig. 2 nicht dargestellte Stromquelle
18 (siehe Fig. 4) anschließbar. Die kontaktlose Unterbrecherschaltung besteht aus
einem elektronischen Schaltungsteil 19 im Zusammenwirken mit einem induktiven Geber
20, der Teil einer induktiven Mitkopplungsschaltung 21 (siehe Fig. 4) eines freischwingenden
Oszillators
22 ist.
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Der induktive Geber 20 ist innerhalb des Gehäuses 11 nahe dem Eisenkern
15 so angeordnet, daß ein am Schwinganker 14 befestigtes ferromagnetisches Bauteil
25, je nach der Momentanstellung des Schwingankers 14 bezüglich des Eisenkernes
15 innerhalb des ind-uktiven Gebers 20,eine mehr oder weniger starke induktive Kopplung
zwischen den beiden Spulen 24, 25 eines Übertragers hervorruft. Die Spulen 24, 25
des Übertragers bilden also zusammen mit dem ferromagnetischen Bauteil 23 den induktiven
Geber 20.
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Zu Justagezwecken, so zu Einstellung maximaler Kopplung bei ganz angezogenem
Schwinganker 14, ist der gehäusefeste Teil des induktiven Gebers 20 zweckmäßigerweise
mit einer Justiervorrichtung 26 versehen, die in den Ausführungsbeispielen nach
Fig. 1 und Fig. 2 als von außerhalb des Gehäuses 11 betätigbare Stellschraube vorgesehen
ist, um eine Einstellung bezüglich der Position des ankerfe -sten ferromagnetischen
Bauteiles 25 zu ermöglichen.
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Der einerseits mit dem induktiven Geber 20 und anderer -seits mit
der Erregerwicklung 16 zusammengeschaltete elektronische Schaltungsteil 19 der kontaktlosen
Unter -brecherschaltung beim erfindungsgemäß ausgestatteten Signalhorn'10, für den
unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 noch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben
wird, ist vorzugsweise in Dickschichttechnik aufgebaut und räumlich mit dem Gehäuse
11 des Signalhornes 10 verbunden.
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Insbesondere ist es zweckmäßig, Umgebungseinflüsse auf die kontaktlose
Unterbrecherschaltung dadurch auszuschalten, daß dieser,nach einem weiteren Merkmal
der Erfin -dung, innerhalb des Gehäuses 11 des Signalhornes 10 angeordnet ist, wie
in Fig. 1 und Fig. 2 angegeben.
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Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild für einen bevorzugten
Aufbau
des elektronischen Schaltungsteiles 19 Das Einschalt- und Ausschalt1fommando für
den Stromfluß durch die Erregerwicklung 16 - je nachdem, ob der Schwingan -ker 14
an den Eisenkern (siehe Fig. 1 und Fig, 2) herangezogen oder wieder freigegeben
werden soll - wird vom Ausgangssignal eines freischwingenden Oszillators 22 abgeleitet,
das je nach der Momentanstellung des Schwing -ankers 14 moduliert ist. Die Oszillatorfrequenz
liegt erheblich, vorzugsweise etwa um das Hundertfache, oberhalb der Frequenz der
Vibration des Schwingankers 14.
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Ein besonderes Merkmal dieser Erfindung ist es, daß es aber weder
auf die absolute Größe der Oszillatorfrequenz noch auf Frequenzkonstanz ankommt,
d.h., es kann ein Oszillator 22 einfachster Bauart und ohne Erfordernis von Stabilisierungs-Schaltungsmaßnahmen
Anwendung finden.
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Der induktive Geber 20 tastet die Momentanstellung des Schwingankers
14 ab und moduliert so die Oszillator -schwingung nach Maßgabe der Momentanstellung
des Schwingankers 14, worauf im einzeinen in Zusammenhang mit Fig. 4 eingegangen
wird. Das modulierte Ausgangssignal des Os -zillators 2? wird in einer Demodulationsstufe
27 ausge -wertet, dessen Ausgangssignal folglich die Momentanstellung des Schwingankers
14 angibt. Eine Schaltstufe 28 ermittelt aus dem Ausgangssignal der Demodulationsstu
-fe 27 die beiden Signalzustände, da (aufgrund angezogenen Schwingankers 14) der
Strom durch die Erregerwick -lung 16 abgeschaltet bzw. (aufgrund hinreichend abgefallenen
Schwingankersl4) wieder eingeschaltet wird. Diese Schaltbefehle werden auf'das elektronische
Stellglied 29 gegeben, mit dem die Erregerwicklung 15 in Serie gesdhaltet ist, mittels
dessen àlso der Erregerstromfluß freigegeben oder unterbrochen wird. Zwischen den
einzelnen Signalverarbeitungsstufen in Fig. 3 sind in Entkopplungsschaltungen 30
vorgesehen.
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Fig. 4 zeigt eine bevorzugte schaltungstechnische Realisiebung zum
Blockschaltbild nach Fig. 3 Der elektroni -sche Schaltungsteil 19 ist dort nicht
unmittelbar an die Stromquelle 18 angeschlossen, sondern über eine Gleich -spannungsstabilisierung
31 aus Zenerdiode 32 und Vorwi -derstand 33. Dieses ist insbesondere dann eine wirksame
Vorsorgemaßnahme, wenn das Signalhorn 10 nach der Erfindung gemäß eingangs schon
erwähnten üblichen Anwendungs -fällen in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, so daß
dessen Bordnetz als Stromquelle 18 fungiert. Das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges
basiert zwar auf der Spannung dessen Batterie, ist aber unter Betriebsbedingungen
in der Regel nicht konstant, da der momentane Ladezustand der Batterie und die momentane
Leistungsabgabe der Lichtmaschine sich neben kurzzeitigen Spannungseinbrüchen aufgrund
des Ver -haltens elektrischer Verbraucher (insbesondere der Zünd -spule) mehr oder
weniger stark auf die wirksame Bordnetzspannung auswirken. Deshalb erfolgt die Spannungsversor
-gung des elektronischen Schaltungsteiles 19 mit der.sta -bilisierten Gleichspannung,
die am Abgriff zwischen Zenerdiode 52 und Vorwiderstand 33 zur Verfügung steht und
nahezu der Durchbruch-Knickspannung der eingesetzten Zenerdiode 32 entspricht.
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Der Oszillator 22 ist als einfache induktiv rückgekoppelte (mitgekoppelte)
Schwingschaltung aufgebaut. Die Oszillatorfrequenz bestimmt sich in erster Linie
aus der Di -mensionierung des L.C.-Parallelschwingkreises aus Spule 24 und Kondensator
34. Darüberhinaus sind für die Schwingungserregung die Rückkopplungsgegebenheiten
von Einfluß, die über einen Spannungsteiler 35/36 für den Arbeitspunkt der Ansteuerung
des Oszillator-Transistors 37, über einen Emitterwiderstand 38 für Betriebsstabilisierung
durch Gegenkopplung und insbesondere über den Grad der induktiven Kopplung zwischen
den zwei Spulen 24, 25 des Übertragers
beeinflußbar sind, die zusammen
mit dem den Kopplungsgrad beeinflussenden ferromagnetischen Bauteil 23 den induktiven
Geber 20 ausmachen.
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Die geometrische Form des ferromagnetischen Bauteiles 25 bestimmt
sich nach dem Aufbau des.die beiden Spulen 24, 25 aufweisenden Übertragers. Im in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel für den induktiven Geber 20 ist ein luftgekoppelter
Übertrager mit axialem Zweikammer-Wickelkörper mit Zentralbohrung vorgesehen. In
jeder Kammer ist eine der beiden Spulen 24,25 angeordnet. Das Material des Wickelkörpers
selbst ist nichtmetallisch. Je nach Stellung des Schwingankers 14 taucht das ferromagnetische
Bauteil 23, im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ein Stabeisen, mehr oder weniger tief
in die Zentralbohrung des Wickelkörpers hinein, was aufgrund Variation der Konzentration
der magnetischen Kraftlinien einer Variation der induktiven Kopplung zwischen den
beiden Spulen 24 und 25 entspricht.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, die
beiden Spulen 24, 25 entgegen der Darstellung in Fig. 1 nicht in einem Zweikammer-Wickelkörper
axial nebeneinander, sondern radial übereinander anzuordnen, weil dann der Bereich
zwischen maximaler und minimaler Kopplung schon bei geringerem Hub des Stabeisens
überstrichen wird.
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Gegenüber demjenigen nach Fig. 1 hat das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel
für den induktiven Geber 20 den Vorteil größerer Sicherheit gegen magnetische Störungen,
da die beiden Spulen 24,25 in einen radial geteilten Ferrit-Schalenkernübertrager
als dem ferromagnetischen Bauteil 23 eingelegt sind. Der ankerfeste Teil des Schalenkernes
bewegt sich gegenüber dem gehäusefesten Teil und variiert damit den Luftspalt zwischen
beiden, also die induktive Kopplung zwischen den Spulen 24,25.
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Da mit der von der Momentanstellung des Schwingankers 14 abhängigen
Stellung des ankerfesten Teiles des ferromagnetischen Bauteiles 23 auch die Bedämpfung
des Oszillator-Schwingkreises schwankt, ist das über einen Trennkondensator 59 auf
die Demodulationsstufe 27 geschaltete Ausgangssignal des Oszillators 22 sowohl amplituden-
als auch frequenzmoduliert.
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In der in Fig. 4 vorgesehenen aktiven Entkopplungsschaltung 30 kann
dann eine Impedanz- und Pegelanpassung sowie gegebenenfalls eine Signalsiebung dieses
Ausgangssignales erfolgen.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird für die Steuerung des Erregerstromes
des Signalhornes 10 die Amplitudenmodulation der Oszillatorschwingung ausgewertet.
Dementsprechend weist die Demodulationsstufe 27 hier einen Amplitudendetektor auf,
der, infolge Aufladens einer Signalkapazität 40 über eine Diode 41, als Spitzenwertgleichrichter
arbeitet.
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Das jeweilige Ausgangs signal der Demodulationsstufe 27, also die
Momentanspannung über der Signalkapazität 40, ist ein Maß für die Momentanposition
des Schwingankers 14 gegenüber dem Eisenkern 15. Die beiden Positionen des Schwingankers
14, in denen der Erregerstrom eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden soll, entsprechen
also bestimmten Spannungswerten am Ausgang der Demodulationsstufe 27. Deren Abfrage
erfolgt durch die Schaltstufe 28, die in als solcher bekannter Weise als potentialgesteuerte
Kippstufe, hier als Schmitt-Trigger, aufgebaut ist.
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Ihre Ansprechschwelle ist mittels des Abgriffes eines Eingangspotentiometers
42 einstellbar, mit dem eine Diode 4), zum Kompensieren von Temperatureinflüssen
auf das Ausgangssignal der Demodulationsstufe 27 bzw.
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die Ansprechschwelle der Schaltstufe 28, in Serie liegt. Das Ausgangssignal
der Schaltstufe 28 weist Schaltverhalten zwischen zwei definierten Spannungswerten
auf. Dieses Ausgangssignal ist über eine weitere - hier zweistufige, zweimal invertierende
und verstärkende - aktive Entkopplungsschaltung 30 auf den Eingang 44 des elektronischen
Stellgliedes 29 geführt, das mit der Erregerwicklung 16 des Signalhornes 10 in Reihe
geschaltet ist.
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Da die Ansteuerung des elektronischen Stellgliedes 29 von der Schaltstufe
28 her bereits im Schaltbetrieb erfolgt, kann das elektronische Stellglied 29 durch
ein beliebiges, auch kontinuierliche Steuerkennlinie aufweisendes Bauelement realisiert
sein. Denn die Ansteuerung im Schaltbetrieb gewährleistet, daß nur die beiden Betriebszustände
mit minimalem Reststrom (im geöffneten Zustand) bzw. mit minimalem Spannungsabfall
(im geschlossenen Zustand) auftreten, nicht dagegen zur Erzeugung von Verlustleistung
führende Arbeitspunkte auf dem dazwischenliegenden Kennlinienbogen eines kontinuierlich
durchsteuerbaren Halbleiterbauelementes.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Rahmen der Erfindung stellt
es dar, für das elektronische Stellglied 29 nicht einen sog. Schalttransistor, sondern
wie in Fig. 4 eingetragen, eine Darlington-Schaltung einzusetzen, da diese mit kleinen
Steuerströmen (Basisstrom für ihren ersten Transistor) große Arbeitsströme im Kollektor-Emitter-Kreis
beherrschbar macht.
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Für einen betriebssicheren Aufbau der kontaktlosen Unterbrecherschaltung
in einem erfindungsgemäß ausgestatteten elektromagnetischen Signalhorn 10 ist es
von Vorteil,gemäß weiterführenden Merkmalen der Erfindung verschiedene Schutzmaßnahmen
im Hinblick auf die relativ große
Induktivität dessen Erregerwicklung
16 vorzusehen.
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Zu diesen Maßnahmen gehört in erster Linie ein Schutzkondensator 45,
der - vergleichbar einem Loschkondensator in der konventionellen Technik geschalteter
Induktivitäten - beim Öffnen des Erregerstromkreises des Signalhornes 10 die von
der Erregerwicklung 16 hervorgerufenen Abs chaltströme aufnimmt.
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Im gleichen Sinne dient ein über die Erregerwicklung 16 geschalteter
Parallelkondensator 46 der Vernichtung im jeweiligen Schaltmoment auftretender Spannungs-
bzw.
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Stromspitzen. Da das dem elektronischen Stellglied 29 gegenüberliegende
Ende der Erregerwicklung 16 vorzugsweise unmittelbar an die Stromquelle 18, also
nicht über die Gleichstromstabilisierung 71 geschaltet ist, bewirkt letztere zudem
eine wirksame Entkopplung des elektronischen Schaltungsteiles 19 von von der geschalteten
Induktivität der Erregerwicklung 16 ausgehenden Störeinflüssen.
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Es kann zweckmäßig sein, zusätzlich zum Schutzkondensator 45 über
der Kollektor-Emitter-Strecke der Darlington-Schaltung des elektronischen Stellgliedes
29 eine weitere Schutzmaßnahme gegen Spannungsspitzen vorzusehen.
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Eine wirksame und schaltungstechnisch wenig aufwendige derartige weitere
Schutzmaßnahme besteht, wie in Fig. 4 angegeben, aus einem zwischen Kollektor- und
Emitter-Anschluß der Darlington-Schaltung liegendem Spannungsteiler 47/48, an dessen
Abgriff die Kathode einer Zenerdiode 49 angeschlossen ist, deren Anode am Steuer-Eingang
44 des elektronischen Stellgliedes 29 und damit an der Basis des ersten Transi-stors
der Darlington-Schaltung liegt. Die Charakteristik dieser Zener-Diode 49 und das
Spannungsteilerverhältnis des Spannungsteilers 47/48 sind so gewählt, daß eine unzulässig
hohe Kollektor-
Emitter-Spannung infolge überschreitens der Durchbruchspannung
der Zener-Diode 49 die Darlington-Schaltung aufsteuert, so daß jene Spannungsspitze
über das elektronische Ste'lglied 29 abgeleitet wird, ohne zur Zerstörung des hier
eingesetzten Bauelementes zu führen.
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So ist mit der Erfindung eine funktionstüchtige kontaktlose Unterbrecherschaltung
für ein elektromagnetisches Signalhorn geschaffen, dessen mit dem Schwinganker mechanisch
verbundene Membrane in herkömmlicher Weise mit Eigenresonanz frei schwingt und zur
Schwingungsanregung in Abhängigkeit von zwei definierten Momentanpositionen des
Schwingankers bezüglich seines Eisenkernes den Erregerstrom ein- bzw. ausschaltet,
wobei diese beiden die Schaltvorgänge bestimmenden Momentanstellungen des Schwingankers
betriebssicher und verschleißfrei von einem induktiven Geber abgetastet und über
Modulation einer Hilfsschwingung in das Steuersignal für eine kontaktlose Unterbrecherschaltung
umgewandelt werden.