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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Druckschalter für nur zwei Anschlußleiter, mit einer Widerstandsmeßbrücke als Meßwertaufnehmer, mit einer der Widerstandsmeßbrücke nachgeschalteten Verstärkereinheit, mit einem der Verstärkereinheit nachgeschalteten Komparator und mit einer dem Komparator nachgeschalteten Schaltstufe.
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Der zuvor dargestellte Ausgangspunkt für die Erfindung soll zunächst unter verschiedenen Gesichtspunkten erläutert werden:
Zunächst ist Gegenstand der Erfindung ein elektronischer Druckschalter. Es geht also um ein elektronisches Schaltgerät, das schaltet, also vom nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zustand oder vom leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand übergeht, wenn der Druck in einer Flüssigkeit oder einem Gas einen vorgegebenen Wert, den Schwellwert, überschreitet oder unterschreitet. Man kann also einen Druckschalter auch als ein digitales Druckmeßgerät ansehen. Während ein analoges Druckmeßgerät an seinem Ausgang ein dem gemessenen Druck proportionales Ausgangssignal zur Verfügung stellt, also eine dem gemessenen Druck proportionale Ausgangsspannung oder einen dem gemessenen Druck proportionalen Ausgangsstrom, liefert ein Druckschalter als digitales Druckmeßgerät nur zwei unterschiedliche Ausgangssignale, nämlich ”gemessener Druck oberhalb eines vorgegebenen Wertes” oder ”gemessener Druck unterhalb eines vorgegebenen Wertes”.
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Wesentlich für den elektronischen Druckschalter, mit dem sich die Erfindung befaßt, ist die Tatsache, daß er für nur zwei Anschlußleiter bestimmt ist, also nur zwei Anschlüsse für nur zwei Anschlußleiter aufweist. Es geht also um ein elektronisches Schaltgerät, das über einen Außenleiter mit einem Pol einer Betriebsspannungsquelle und nur über einen weiteren Außenleiter mit einem Anschluß eines Verbrauchers oder einer Steuer- oder Regelschaltung verbindbar ist, wobei der andere Anschluß des Verbrauchers oder der Steuer- oder Regelschaltung an den anderen Pol der Betriebsspannungsquelle angeschlossen bzw. anschließbar ist.
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Elektronische Schaltgeräte der in Rede stehenden Art werden seit Jahrzehnten anstelle von elektrischen, mechanisch betätigten Schaltgeräten, die kontaktbehaftet ausgeführt sind, verwendet. Von ihrer Funktion als Schaltgeräte her soll bei den in Rede stehenden elektronischen Schaltgeräten im gesperrten Zustand praktisch kein Reststrom fließen und im leitenden Zustand praktisch kein Spannungsabfall auftreten. Da aber dann, wenn bei Schaltgeräten der in Rede stehenden Art im gesperrten Zustand kein Reststrom flösse, auch kein Versorgungsstrom für die innerhalb des Schaltgeräts vorgesehene Schaltung gewonnen werden könnte, und dann, wenn im leitenden Zustand kein Spannungsabfall aufträte, auch keine Versorgungsspannung für die Schaltung innerhalb des Schaltgeräts gewonnen werden könnte, gilt für alle elektronischen Schaltgeräte für nur zwei Außenleiter, daß im gesperrten Zustand ein Reststrom fließt und im leitenden Zustand ein Spannungsabfall auftritt. Daraus folgt, daß dann, wenn schon, ungewollt, aber funktionsnotwendig im gesperrten Zustand ein Reststrom fließt und im leitenden Zustand ein Spannungsabfall auftritt, der Reststrom und der Spannungsabfall so gering wie möglich sein sollen. Dieses Problem ist bereits umfangreich behandelt worden.
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Eingangs ist ausgeführt, daß zu dem in Rede stehenden elektronischen Druckschalter eine Widerstandsmeßbrücke als Meßwertaufnehmer gehört. Statt einer Widerstandsmeßbrücke kann auch eine andere Schaltung verwendet werden, mit der ein dem anstehenden Druck proportionales Meßsignal generiert werden kann. Insbesondere kann der Meßwertaufnehmer auch aus GMR-Elementen (GMR = Giant Magneto Resistance) bestehen. Im folgenden wird immer ein elektronischer Druckschalter mit einer Widerstandsmeßbrücke als Meßwertaufnehmer beschrieben. Die Lehre der Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt; sie ist auch ohne weiteres anwendbar auf Druckschalter mit einem anderen Meßwertaufnehmer, insbesondere auf Druckschalter, bei denen der Meßwertaufnehmer aus GMR-Elementen besteht, auch auf elektronische Schaltgeräte mit anderen Meßwertaufnehmern, z. B. auf Positionssensoren, bei denen der Meßwertaufnehmer aus GMR-Elementen besteht.
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Am Markt gibt es von der Firma UNITED ELECTRIC CONTROLS, 180 Dexter Avenue, Watertown, MA 02471-9143, USA, einen elektronischen Druckschalter für nur zwei Anschlußleiter, der auch Gegenstand von Patentveröffentlichungen ist, nämlich der
US 6,522,249 B1 und der
WO 03/021195 A1 . 1Dieser elektronische Druckschalter hat im gesperrten Zustand einen Reststrom von etwa 0,75 Milliampere und im leitenden Zustand einen Spannungsabfall bis etwa 7 V. Das sind noch relativ große Werte. Der Reststrom von etwa 0,75 Milliampere wird bei höherohmigen Anwendungen wie zum Beispiel bei Eingangsschaltkreisen von Optokopplern bereits kritisch, weil hier der gesperrte Zustand nicht mehr erkannt werden könnte. Der Spannungsabfall bis etwa 7 Volt im geschalteten Zustand schränkt das Applikationsfeld stark ein, da die Betriebsspannung, zum Beispiel für einen Verbraucher, um etwa 7 Volt reduziert wird. Ferner muß der maximale Schaltstrom eingeschränkt werden, weil aus dem Produkt des Schaltstroms und des Spannungsabfalls die Verlustwärme resultiert.
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Die
DE 101 60 794 A1 offenbart eine Signalverarbeitungseinrichtung für einen Druckschalter, umfassend ein Sensorelement, eine Messbrücke, eine Signalverarbeitungseinheit zur Verstärkung und Digitalisierung des analogen Messsignals und eine nachgeschaltete Ansteuereinheit für elektrische Schalter. Die Ausgänge der Messbrücke sind unmittelbar an gleichnamige Eingänge zweier Operationsverstärker der Signalverarbeitungseinheit angeschlossen. Die Ausgänge der Operationsverstärker sind nachfolgend an einen A/D-Wandler angeschlossen.
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Die
DE 36 33 790 C2 offenbart eine Anordnung zur Aufbereitung der Ausgangssignale einer Widerstandsbrücke, mit einem Brückenverstärker und einem Spannungs-Frequenz-Wandler, wobei die Brückendiagonale der Widerstandsbrücke durch periodisch betätigte Umschalter mit den Klemmen einer Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die Ausgänge der Widerstandsbrücke sind an gleichnamige Eingänge zweier Operationsverstärker des Brückenverstärkers angeschlossen, wobei an die Ausgangssignale der beiden Operationsverstärker ein RC-Glied mit einem Widerstand und einem Kondensator angeschlossen ist. Ferner sind die Anschlüsse des Kondensators mit den beiden Eingängen eines Komparators verbunden, so dass die am Kondensator anliegende Spannung die Eingangsspannung des Komparators bildet.
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Die Veröffentlichung von Mielentz, et. al., ”Anpassung von Dehnungsmessstreifen an batteriegespeiste Datensammler” in der Zeitschrift ”messen prüfen automatisieren”, 2/93, Seiten 14–17 offenbart ein Schaltungskonzept für den Anschluss mehrerer Dehnungsmessstreifen, das insbesondere zum batteriegespeisten Betrieb geeignet ist, d. h. vor dem Hintergrund ausgestaltet ist, den Batteriestrom zu minimieren und damit die Gesamtmessdauer zu steigern. Das Schaltungskonzept umfasst eine Widerstandsmessbrücke, einen Operationsverstärker, einen Analog-Multiplexer, einen Analog-Digital-Umsetzer und einen Mikroprozessor. Die Ausgänge der Widerstandsmessbrücke sind jeweils an einen Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers an den Analog-Multiplexer angeschlossen ist. Die Veröffentlichung lehrt, die Dehnungsmessstreifen und die Schaltung insgesamt hochohmig auszugestalten, um den Batteriestrom zu minimieren.
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Seifart, Manfred, in der Veröffentlichung ”Analoge Schaltungen”, 3. bearb. Aufl., Hüthing 1990, Heidelberg, Kapitel 12.2, Seiten 291–297, offenbart allgemeines Basiswissen zu Instrumentations-, Trenn- und Ladungsverstärkern. Insbesondere werden verschiedene Schaltkonfigurationen für Instrumentationsverstärker beschrieben.
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Der Erfindung liegt nun folglich die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Druckschalter der in Rede stehenden Art, also für nur zwei Außenleiter, anzugeben, der sich durch einen geringeren Reststrom im gesperrten Zustand und durch einen geringeren Spannungsabfall im geschalteten Zustand auszeichnet.
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Der erfindungsgemäße elektronische Druckschalter, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessbrücke einen größeren Innenwiderstand als 20 Kiloohm hat, dass die Verstärkereinheit einen ersten Operationsverstärker und einen zweiten Operationsverstärker aufweist, zweistufig ausgeführt ist und als Instrumentenverstärker ausgeführt ist, dass der Ausgang des ersten Operationsverstärkers ein dem analogen Messwert der Widerstandsmessbrücke entsprechendes analoges Messsignal dem Komparator niederohmig zuführt und dass der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers den Schwellenwert dem Komparator niederohmig zuführt.
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Der hohe Innenwiderstand der Widerstandsmeßbrücke von mehr als 20 Kiloohm ist ein erster Schritt zur Reduzierung des notwendigen Versorgungsstroms für die innerhalb des Schaltgeräts vorgesehene Schaltung, – und damit für die Reduzierung des im gesperrten Zustand des Druckschalters fließenden Restsstroms. Ein zweiter, in die gleiche Richtung gehender Schritt besteht darin, daß die Verstärkereinheit sowohl ein dem analogen Meßwert der Widerstandsmeßbrücke entsprechendes analoges Meßsignal als auch den Schwellenwert niederohmig dem Komparator zuführt; der Schwellenwert für den Komparator wird also nicht separat generiert.
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Der erfindungsgemäße elektronische Druckschalter soll, wie ausgeführt, nicht nur einen geringen Reststrom im gesperrten Zustand sondern auch einen geringen Spannungsabfall im leitenden Zustand haben. Also muß die hochohmig ausgeführte Widerstandsmeßbrücke mit einer sehr geringen Versorgungsspannung betrieben werden. Bei einer Versorgungsspannung für die Widerstandsmeßbrücke von 1,8 Volt kann ein Brückensignal als Meßsignal von nur etwa 6 Millivolt erwartet werden. Dieses Meßsignal muß mit einem relativ großen Faktor, etwa mit einem Faktor von 300, verstärkt werden, um dem nachgeschalteten Komparator eine Entscheidung mit einprozentiger Genauigkeit abverlangen zu können. Dazu ist bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters vorgesehen, daß die Verstärkereinheit als Instrumentenverstärker, auch Elektrometerverstärker genannt, ausgeführt ist, so daß die Widerstandsmeßbrücke durch die Verstärkereinheit praktisch nicht belastet wird. Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters ist die Verstärkereinheit zweistufig ausgeführt, weist nämlich die Verstärkereinheit zwei Operationsverstärker auf, die vorzugsweise monolithisch aus einem Chip gefertigt sind, um einen Temperaturgleichlauf der Offsetspannungen zu erhalten.
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Wenn die Ausgänge der Widerstandsmeßbrücke an gleichnamige Eingänge der Operationsverstärker, vorzugsweise an die nicht-invertierenden Eingänge der Operationsverstärker angeschlossen sind, kompensieren sich die Offsetspannungen gegenseitig. Dabei verändert sich dann die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers nur wenig über den Druck und zudem gegenläufig, so daß die Ausgangsspannung unmittelbar niederohmig dem Komparator als Schwellenwert zugeführt werden kann. Die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers stellt das eigentliche Meßsignal dar, sie wird ebenfalls niederohmig dem Komparator zugeführt.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter ist die Widerstandsmeßbrücke vorzugsweise als DMS-Druckmeßzelle mit einer Stahlmembran und auf der Stahlmembran aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen ausgeführt. Solche DMS-Druckmeßzellen sind für sich seit langem bekannt und im Einsatz. Der Vorteil der dabei verwendeten Stahlmembran liegt vor allem in der enormen Berstdruckfestigkeit.
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Bei DMS-Druckmeßzellen der zuvor angesprochenen Art werden die zur Widerstandsmeßbrücke gehörenden Nutzwiderstände durch einen Dickschichtprozeß realisiert. Dieser Dickschichtprozeß ist bekanntermaßen stark toleranzbehaftet, so daß der elektrische Nullpunkt bis zu +/–2500% (!), bezogen auf das generierbare Meßsignal, variieren kann. Folglich sind Abgleichmaßnahmen erforderlich. Vorzugsweise ist dazu ein hochohmiges Abgleichnetzwerk vorgesehen, das in gleicher Weise wie die Nutzwiderstände auf der Stahlmembran aufgebracht ist; der Querwiderstand des Abgleichnetzwerkes kann im dreistelligen Kiloohmbereich liegen. Damit das hochohmige Abgleichnetzwerk den gleichen Temperaturkoeffizienten hat wie die eigentliche Widerstandsmeßbrücke, empfiehlt es sich, die Abgleichwiderstände des Abgleichnetzwerks aus der gleichen Widerstandspaste wie die Nutzwiderstände der Widerstandsmeßbrücke auf der Stahlmembran aufzubringen.
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Mit der zuvor beschriebenen Abgleichmaßnahme ist nur ein Grobabgleich möglich, nämlich ein Abgleich mit einer Abgleich-Macht von +/–2500% auf maximal +/–100%. Folglich empfiehlt es sich, noch eine weitere Abgleichmaßnahme für einen Feinabgleich zu verwirklichen. Dazu kann dann ein hochohmiges Widerstandsnetzwerk mit einer Abgleich-Macht von +/–100% auf 0% vorgesehen sein. Dieses hochohmige Widerstandsnetzwerk benötigt nicht mehr zwingend den gleichen Temperaturgang wie die Nutzwiderstände der Widerstandsmeßbrücke, weil infolge der Spannungsteilerschaltung ihr Temperatureinfluß erträglich bleibt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters ist eingangsseitig ein die Versorgungsspannung der Widerstandsmeßbrücke, der Verstärkereinheit, des Komparators und gegebenenfalls des Abgleichnetzwerkes regelnder und begrenzender Längsregler vorgesehen. Dieser Längsregler sorgt also einerseits dafür, daß die Versorgungsspannung der Widerstandsmeßbrücke, der Verstärkereinheit, des Komparators und gegebenenfalls des Abgleichnetzwerkes stets konstant ist, vor allem aber auch begrenzt wird, so daß nicht eine überflüssig hohe Versorgungsspannung zu einem unnötig hohen Versorgungsstrom und damit zu einem zu hohen Reststrom führt. Zweckmäßigerweise sind die Widerstandsmeßbrücke, die Verstärkereinheit, der Komparator und gegebenenfalls das Abgleichnetzwerk versorgungsspannungsmäßig parallel geschaltet und ist die Parallelschaltung dem Längsregler nachgeschaltet.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter kann die Schaltstufe als DC-Schaltstufe, als AC-Schaltstufe oder als Allstrom-Schaltstufe, also sowohl Gleichstrom schaltend als auch Wechselstrom schaltend, ausgeführt sein; vorzugsweise ist die Schaltzufuhr jedoch als DC-Schaltstufe ausgeführt.
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Schließlich geht eine weitere Lehre der Erfindung, der auch für sich, also losgelöst von den bisher beschriebenen Lehren der Erfindung, besondere Bedeutung zukommt, dahin, die Schaltstufe als vom Ausgang des Komparators angesteuerten Shuntregler auszuführen. Bei dieser Ausführungsform entscheidet das am Ausgang des Komparators anstehende Ausgangssignal über das Zuschalten des Shuntreglers. Angesteuert begrenzt der Shuntregler den Spannungsabfall, z. B. auf 2,5 Volt, so daß einerseits – über den vorzugsweise vorgesehenen Längsregler – noch genügend Versorgungsspannung für die elektronische Schaltung im Druckschalter zur Verfügung steht, daß aber andererseits im leitenden Zustand des Druckschalters nur ein Spannungsabfall von z. B. 2,5 Volt auftritt, für einen Verbraucher also die originäre Betriebsspannung abzüglich 2,5 Volt zur Verfügung steht.
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Wie weiter oben ausgeführt, soll aufgabengemäß ein elektronischer Druckschalter der in Rede stehenden Art, also für nur zwei Außenleiter, angegeben werden, der sich durch einen geringeren Reststrom im gesperrten Zustand und durch einen geringeren Spannungsabfall im geschalteten Zustand auszeichnet. Die zunächst beschriebenen Maßnahmen betreffen die erste Teilaufgabe, geringerer Reststrom im gesperrten Zustand, die zuletzt beschriebene Maßnahme die zweite Teilaufgabe, geringerer Spannungsabfall im geschalteten Zustand.
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Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
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1 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters und
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2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer zu dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter gehörenden Verstärkereinheit mit nachgeschaltetem Komparator.
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Dargestellt ist in der 1 schematisch, in Form eines Blockschaltbildes, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters für nur zwei Anschlußschalter, der also nur zwei Anschlüsse 1 und 2 aufweist. Zu dem dargestellten elektronischen Druckschalter gehören zunächst eine Widerstandsmeßbrücke 3 als Meßwertaufnehmer, eine der Widerstandsmeßbrücke 3 nachgeschaltete Verstärkereinheit 4, ein der Verstärkereinheit 4 nachgeschalteter Komparator und einen dem Komparator 5 nachgeschaltete Schaltstufe 6.
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Erfindungsgemäß hat die Widerstandsmeßbrücke 3 einen besonders hohen Innenwiderstand; der Innenwiderstand der Widerstandsmeßbrücke 3 ist größer als 20 Kiloohm. Des weiteren ist erfindungsgemäß realisiert, daß die Verstärkereinheit 4 sowohl ein dem analogen Meßwert der Widerstandsmeßbrücke entsprechendes analoges Meßsignal als auch den Schwellenwert niederohmig dem Komparator 5 zuführt.
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Nicht dargestellt ist, daß die Widerstandsmeßbrücke 3 als DMS-Druckmeßzelle mit einer Stahlmembran und auf der Stahlmembran aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen als Nutzwiderstände 7 ausgeführt ist. Als Abgleichmaßnahme ist ein hochohmiges Abgleichnetzwerk 8 mit Abgleichwiderständen 9 und 10 vorgesehen; der Querwiderstand des Abgleichnetzwerkes 8 kann im dreistelligen Kiloohmbereich liegen. Damit das hochohmige Abgleichnetzwerk 8 den gleichen Temperaturkoeffizienten hat wie die eigentliche Widerstandsmeßbrücke 3, sind die Abgleichwiderstände 9 und 10 des Abgleichnetzwerks 8 aus der gleichen Widerstandspaste wie die Nutzwiderstände 7 der Widerstandsmeßbrücke auf der nicht dargestellten Stahlmembran aufgebracht.
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Wie eingangs erläutert, kann mit der zuvor beschriebenen Abgleichmaßnahme nur ein Grobabgleich realisiert werden, nämlich mit einer Abgleich-Macht von +/–2500% auf maximal +/–100%. Weiter oben ist noch eine weitere Abgleichmaßnahme für einen Feinabgleich beschrieben, eine Abgleichmaßnahme mit einer Abgleich-Macht von +/–100% auf 0%. Diese Abgleichmaßnahme ist im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt.
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Wie die 2 zeigt, ist bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters die Verstärkereinheit 4 als Instrumentenverstärker, auch Elektrometerverstärker genannt, ausgeführt, und zwar zweistufig ausgeführt. Die Verstärkereinheit 4 weist nämlich zwei Operationsverstärker 11, 12 auf, die monolithisch aus einem Chip gefertigt sind. Die Ausgänge der Widerstandsmeßbrücke 3 sind an gleichnamige Eingänge der Operationsverstärker 11, 12, nämlich an die nicht-invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 11, 12 angeschlossen. Die Ausgänge der beiden Operationsverstärker 11, 12 sind direkt an die Eingänge des Komparators 5 angeschlossen.
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Wie die 1 zeigt, ist bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters eingangsseitig ein die Versorgungsspannung der Widerstandsmeßbrücke 3, der Verstärkereinheit 4, des Komparators 5 und des Abweichnetzwerk 8 regelnder und begrenzender Längsregler 13 vorgesehen. Wie die 1 zeigt, sind die Widerstandsmeßbrücke 3, die Verstärkereinheit 4, der Komparator 5 und das Abgleichnetzwerk 8 versorgungsspannungsmäßig parallel geschaltet und ist diese Parallelschaltung dem Längsregler 13 nachgeschaltet.
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Schließlich zeigt die 1 noch insoweit ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalters, als die Schaltstufe 6 als vom Ausgang des Komparators 5 angesteuerten Shuntregler 14 ausgeführt ist.
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Konkret läßt sich ohne weiteres erreichen, daß bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Druckschalter im gesperrten Zustand der Reststrom kleiner als 0,5 Milliampere ist und der Spannungsabfall im leitenden Zustand weniger als 2,5 Volt beträgt. Im einzelnen können realisiert werden
für die Widerstandsmeßbrücke 3 ein Versorgungsstrom von 90 Mikroampere,
für die Verstärkereinheit 4 ein Versorgungsstrom von 110 Mikroampere,
für den Komparator 5 ein Versorgungsstrom von 50 Mikroampere, für das Abgleichnetzwerk 8 ein Versorgungsstrom von 25 Mikroampere und
für den Längsregler 13 ein Versorgungsstrom von 50 Mikroampere sowie
am Shuntregler 14 – und damit am erfindungsgemäßen Druckschalter insgesamt – im leitenden Zustand ein Spannungsabfall von 2,3 Volt.