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Zugehörige Anmeldung
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Diese
Anmeldung beansprucht den Vorteil der provisorischen US-Patentanmeldung mit
dem Aktenzeichen Nr.
60/356,214 ,
angemeldet am 12. Februar 2002 für
MULTIPLIER WITH INTERNAL MICROPROCESSOR CONTROL, deren gesamter
Offenbarungsinhalt durch Bezugnahme hierin vollständig aufgenommen
ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Elektrostatische
Spritzsysteme tragen Beschichtungsmaterial, wie zum Beispiel flüssige oder pulverförmige Farben
und Beschichtungen, auf verschiedene Produkte auf, umfassend zum
Beispiel Geräte,
Autoteile, metallische Büromöbel Vorratsregale,
elektrische Transformatoren und Freizeitgeräte. Eine Art elektrostatischer
Spritzpistolen ist eine Coronapistole. In vielen Coronapistolen
lädt eine
interne Spannungsquelle eine Pistolenelektrode auf eine Hochspannung auf,
die zwischen der Spritzpistole und einem zu streichenden Teil ein
intensives elektrisches Feld aufbaut. Das Beschichtungsmaterial,
wie zum Beispiel Pulver, wird durch den Bereich des elektrischen
Feldes gespritzt. Beim Hindurchgehen durch diesen Bereich werden
die Pulverpartikel aufgeladen und zu dem normalerweise geerdeten,
zu steichenden Teil angezogen. Auf diese Weise wird das zu streichende
Teil mit Pulverfarbe beschichtet.
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Die
Hauptbestandteile solcher Spritzsysteme sind eine Spritzpistole
und eine Spritzpistolenregelung, und insbesondere das interne Netzteil
für die Spritzpistole
und die externe Regelung des internen Netzteiles durch die Spritzpistolenregeleinrichtung. Mit
einem "internen" Netzteil ist einfach
gemeint, dass das Netzteil im Spritzpistolengehäuse angeordnet ist. In bekannten
Systemen ist die Spritzpistolenregeleinrichtung und insbesondere
die Regeleinrichtung für
die interne Energieversorgung der Spritzpistole eine externe Regeleinrichtung,
was bedeutet, dass die Regeleinrichtung und zugehörige Schaltungen
sich außerhalb
der Spritzpistole befinden und mit der Spritzpistole und der internen
Energieversorgung über
ein Kabel oder einen Draht kommunizieren.
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In
solchen bekannten Systemen umfasst ein konventionelles internes
Netzteil einen resonanten Oszillator und eine Spannungsvervielfacherschaltung.
Der resonante Oszillator erzeugt ein periodisches oder schwingendes
Steuersignal an den Vervielfacher. Der Vervielfachen umfasst typischerweise einen
Aufspanntransformator und eine Reihe von Kapazitätsdiodenstapeln, die die Ausgangsspannung des
Netzteils auf den Bereich von ungefähr 30 Kilovolt (KV) bis ungefähr 100 Kilovolt
(KV) oder mehr erhöhen.
Eine üblicherweise
verwendete Vervielfacherkonstruktion ist eine Cockroft-Walton-Brückenschaltung.
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Der
Spannungsvervielfacher eines internen Netzteiles weist typischerweise
charakteristische Beziehungen zwischen dem Ausgang und dem Eingang unter
verschiedenen Lastbedingungen auf. Die externe Regeleinrichtung
ist so konstruiert, dass sie dem Oszillator eine geeignete Erregerspannung
zur Verfügung
stellt, um die Arbeitsweise des internen Netzteiles innerhalb eines
gewünschten
Leistungs- und Sicherheitsbereiches zu regeln. Typische interne Netzanschlüsse arbeiten
in Reaktion auf ein variables niedriges Gleichstromspannungseingangssteuersignal
im Bereich von ungefähr
5–21 Volt.
Bekannte externe Regeleinrichtungen können ein Laststromrückführsignal
verwenden, um das Eingangssteuersignal einzustellen, um die Netzteilleistung
zu verbessern und Netzteilüberlastungsbedingungen
zu reduzieren, oder können
einfach ein konstantes Steuersignal vorsehen, so dass das Netzteil über die
erwarteten Lastbereiche effektiv arbeiten kann.
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Eine
Grenze bei bekannten externen Regeleinrichtungen, wie sie für interne
Netzanschlüsse verwendet
werden, besteht darin, dass die Regeleinrichtung auf erwarteten
Verhaltens- und Betriebskenndaten des internen Netzteiles basierend
konstruiert ist. Dieses bedeutet, dass ein Satz vorgegebener Steuerspannungen
und Steuerströme
verwendet wird, um das mit jeder Spritzpistole verbundene Netzteil
zu steuern und gleichermaßen
Rückführstrominformationen
vom Netzteil verwendet werden, um das entsprechende Netzteil in
einer vorgegebenen Art und Weise zu überwachen und zu regeln. In
Wirklichkeit können
jedoch ziemlich viele Abweichungen zwischen einzelnen Netzteilen
bestehen. Netzteile werden aus Kondensatoren und Dioden und anderen Komponenten
gebaut, die vergossen sind. Infolge normaler Herstellungstoleranzen
besteht sowohl zwischen diesen Komponenten als auch beim Vergussmaterial
oft eine Abweichung. Demzufolge besteht unter verschiedenen Lastbedingungen
und Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel der Temperatur, oft eine
Schwankung in der Steuerspannung und dem Steuerstrom, der zum Erzeugen
einer gegebenen elektrostatischen Wirkung von einer Spritzpistole zu
einer anderen Spritzpistole des gleichen Modells notwendig ist.
Diese große
Anzahl von Abweichungen, selbst solche, die ohne Weiteres innerhalb
normaler Toleranzen der Bauteile liegen, machen eine diagnostische
Analyse schwierig, wenn nur eine begrenzte Informationsmenge an
eine externe Regelung verfügbar
ist. Bis jetzt sind externe Regeleinrichtungen nicht in der Lage,
zwischen Netzanschlüssen zu
unterscheiden, weil keine Informationen zur Verfügung gestellt werden, die zum
Identifizieren einzelner Verhaltensparameter bei jedem Netzteil
verwendet werden können.
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Darüber hinaus
begrenzt die Anwendung einer externen Regeleinrichtung die Reaktionszeit
des internen Netzteiles erheblich. Bekannte interne Netzanschlüsse werden
mit einer sehr hohen Eingangsfilterkapazität gebaut, um die Eingangssteuergleichspannung
auszugleichen und übermäßige Lasten
an der externen Stromversorgung zu verhindern. Die Eingangsimpedanz
des internen Netzteiles umfasst oft Dioden, um eine Rückentladung
zu verhindern. Wegen der Dioden ist Zeit zum Ableiten der Filterkapazität erforderlich,
um die Netzteilarbeitsweise zu verändern. Diese Zeit beruht auf
der Tatsache, dass die Dioden das Ableiten der Eingangskapazität durch den
Ausgang des Vervielfachers erzwingen, der eine sehr hohe Ausgangsimpedanz
hat. Die hohe Eingangsimpedanz eines typischen internen Netzteiles diktiert
notwendigerweise, dass das Netzteil nur auf Eingangssteuerspannungsveränderungen
mit einer ziemlich langsamen Geschwindigkeit reagiert, wie zum Beispiel
50–100
Millisekunden. Diese langsame Ansprechgeschwindigkeit ist typischrweise
für die
externe Regeleinrichtung zu langsam, um die Arbeitsweise des Netzteiles
entsprechend zu regeln, zum Beispiel für ungewollte Schwingungen oder
sich schnell ändernde
Lastbedingungen. Das Ergebnis kann eine ineffiziente Arbeitsweise
des Netzteiles und ein Verringern der Nutzlebensdauer des Netzteiles
infolge von Überlastungsbeanspruchung
sein. Des Weiteren ist eine externe Regeleinrichtung in der Datenmenge,
die sie von dem internen Netzteil empfangen kann, ziemlich begrenzt,
da sie mit diesem über
separate Drähte
kommunizieren muss. Die Anwendung einer großen Anzahl von aus einer Hochspannungsspritzpistole
heraus kommenden Drähten wird
typischerweise vermieden, deshalb sind externe Regeleinrichtungen
in der Menge der empfangenen Rückführdaten
als auch in der Reaktionszeit zum Bewirken von Änderungen sehr begrenzt, selbst
wenn solche Daten verfügbar
wären.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß kann eine
verbesserte Regelung und Arbeitsweise eines internen Netzteiles
einer elektrostatischen Auftragsvorrichtung, wie zum Beispiel einer
elektrostatischen Spritzpistole, durch Integrieren von Netzteilregelungsfunktionen
in das Netzteil selbst erreicht werden, wodurch die Notwendigkeit
für eine
externe Regeleinrichtung eliminiert wird. Das interne Netzteil ist
für den
Einbau in einer elektrostatischen Spritzpistole angepasst. In einer Ausführungsform
ist ein digitaler oder programmierbarer Regelkreis in dem internen
Netzteil integriert. Der Regelkreis stellt anstelle eines resonanten Oszillators
ein Steuersignal zur Verfügung.
In einer Ausführungsform
ist das durch den Regelkreis erzeugte Steuersignal zum Beispiel
ein zeitvariables oder schwingendes Signal. Das zeitvariable Steuersignal ist
Eingangssignal zu einem Spannungsvervielfacher, der einen erhöhten Spannungsausgang
für eine Elektrode
in der Spritzpistole erzeugt. Gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung stellt der Regelkreis ein solches Steuersignal an den
Vervielfacher zur Verfügung,
dass der Vervielfacher eine Ausgangsspannung von ungefähr 0 KV
bis mindestens 30 KV oder mehr erzeugt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein internes Netzteil für eine elektrostatische Spritzpistole
einen Regelkreis zum Steuern eines Spannungsvervielfachers, wobei
der Regelkreis ab einem niedrigen Netzteilgleichspannungseingangssignal
von einer externen Quelle anspricht. In einer Ausführungsform
ist das niedrige Gleichstromeingangssignal eine konstante Spannung,
und ein optionaler Spannungsregler innerhalb des Netzteiles kann
verwendet werden, um eine konstante Speisespannung an den Regelkreis
vorzusehen. Die Anwendung eines Spannungsreglers ermöglicht auch die
Arbeitsweise der Eingangsspannungsquelle innerhalb eines erlaubten
Bereiches, weil es kein vorgeschriebenes Verhältnis zwischen der Eingangsspannung
zum internen Netzteil und der Ausgangsleistung des internen Netzteiles
mehr gibt. Die Arbeitsweise des Netzteiles wird innerhalb der Auftragsvorrichtung
geregelt, ohne dass eine externe Regeleinrichtung erforderlich ist,
solange die Eingangsspannung innerhalb des erlaubten Betriebsbereiches
liegt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein internes Netzteil für eine elektrostatische Spritzpistole
einen internen Regelkreis, der Daten betreffend charakteristische
Parameter des Netzteiles speichert und nutzt. In einer zusätzlichen
Ausführungsform
empfängt
und nutzt der Regelkreis Rückführdaten
betreffend die Betriebskenndaten des Netzteiles während seines
Betriebes. Die Rückführdaten
können
getrennt oder in Kombination mit den gespeicherten Daten der parametrischen
Kenndaten des Netzteiles verwendet werden.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird eine verbesserte Regelung und
Arbeitsweise eines internen Netzteiles für eine elektrostatische Spritzpistole
durch Vorsehen eines digitalen oder programmierbaren Regelkreises
erreicht, der in dem Netzteil integriert ist und aus einem konstanten
Spannungseingangssignal zum Netzteil ein schwingendes Steuersignal
erzeugt, wobei das Netzteil zum Einbau in eine Spritzpistole angepasst
ist. Das schwingende Steuersignal ist Eingangssignal zu einem Spannungsvervielfacher,
der ein Hochspannungsausgangssignal für eine Elektrode in der Spritzpistole
erzeugt. Das konstante Spannungseingangssignal kann in Bezug auf
die Spritzpistole intern oder extern erzeugt werden.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird eine verbesserte Regelung und
Arbeitsweise eines internen Netzteiles für eine elektrostatische Spritzpistole
durch Vorsehen eines digitalen oder programmierbaren Regelkreises
im Netzteil zum Regeln seiner Arbeitsweise erreicht, das für den Einbau in
die Spritzpistole angepasst ist, wobei der interne Regelkreis mit
einer Schaltung außerhalb
der Spritzpistole kommuniziert.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung können
die oben angegebenen Aspekte eines internen Netzteils mit einer
elektrostatischen Auftragsvorrichtung als Teil eines elektrostatischen
Beschichtungsmaterialauftragssystems verwendet werden, das in einer
Ausführungsform
typischerweise eine oder mehrere, an eine Beschichtungsmaterialzuführung angeschlossene
elektrostatische Spritzpistolen umfasst, wobei die Spritzpistole
optional in einer Spritzkabine oder einem anderen geeigneten Gehäuse zum
Spritzbeschichten von Objekten angeordnet ist. Das Beschichtungsmaterial
kann Flüssigkeit,
Pulver oder ein anderes geeignetes Material sein, das durch einen
elektrostatischen Auftragsprozess auf ein Objekt aufgetragen wird.
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Diese
und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten
auf dem Gebiet durch Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
der Erfindung und der beigefügten
Zeichnungen verständlich und
erkennbar sein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In
den beigefügten
Zeichnungen, die in die Beschreibung integriert sind und einen Teil
derselben bilden, sind Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt, die zusammen mit der oben dargelegten
allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der nachfolgend dargelegten
ausführlichen
Beschreibung als Beispiele für
die Prinzipien dieser Erfindung dienen.
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1 ist
ein funktionelles Blockdiagramm eines elektrostatischen Auftragssystems,
das einen oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung nutzt;
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2 ist
ein vereinfachtes funktionelles Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen internen Netzteils
einer Spritzpistole, wie es in dem System der 1 verwendet
werden kann;
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3 ist
ein funktionelles Blockdiagramm einer Ausführungsform eines internen Regelkreises
für ein
internes Netzteil, wie er in der Ausführungsform der 2 verwendet
werden kann;
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4 ist
ein Schaltplan einer beispielhaften Ausführungsform des internen Netzteils
der 2;
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4A ist
eine schematische Darstellung einer exemplarischen Rückführschaltung,
die in der Ausführungsform
der 4 verwendet wird; und
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5 ist
eine vereinfachte Darstellung eines elektrostatischen Auftragsvorrichtungssystems,
das zur Anwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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Ausführliche
Beschreibung der dargestellten Ausführungsform
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Bezugnehmend
auf
1 wird nun ein Überblick eines elektrostatischen
Auftragssystems
10 erläutert.
Das elektrostatische Auftragssystem
10 umfasst grundsätzlich zum
Beispiel eine oder mehrere Auftragsvorrichtungen, wie zum Beispiel
elektrostatische Spritzpistolen
12 und
14, die
mit einer externen Spannungsquelle
16 in Stromkreisverbindung
stehen. Die Stromkreisverbindung erfolgt vorzugsweise über abgeschirmte
und isolierte Leitungsdrähte
17. Die
eine oder mehreren Spritzpistolen
12 und
14 stehen
außerdem
in Strömungsverbindung
mit einem Beschichtungsmaterialzuführungszentrum
18.
Das Beschichtungsmaterial kann eine Flüssigkeit, Pulver oder irgend
ein anderes geeignetes Material sein, das mit den Auftragsvorrichtungen
kompatibel ist. Die Strömungsverbindung
erfolgt über
eine oder mehrere Schläuche
oder Leitungen
19. Zu spritzende oder zu beschichtende
Produkte oder Teile P treten durch eine Öffnung in einer Kabine
20 oder
in einem anderen geeigneten Gehäuse
in das elektrostatische Auftragssystem
10 ein. In einigen
Fällen
können
die Teile auch anders als in einer Kabine oder einem Gehäuse beschichtet
werden. In der Kabine
20 wird das Produkt P durch die elektrostatischen
Spritzpistolen
12 und/oder
14 über eine Spritzdüse
13 und
eine Ladeelektrode
116 (
2) gespritzt.
Andere Komponenten (nicht gezeigt), wie zum Beispiel eine Druckluftquelle,
Fördereinrichtungen
für die
Teile, Pistolenbefestigungsanordnungen und so weiter, sind typischerweise
ebenfalls Teil eines elektrostatischen Auftragssystems
10.
Ausführlichere
Beispiele elektrostatischer Auftragssysteme sind im US-Patent Nr.
5,788,728 für Solis,
US-Patent Nr.
5,743,958 für Shutic,
US-Patent Nr.
5,725,670 für Wilson
u. a., US-Patent Nr.
5,725,161 für Hartle
und US-Patent
5,788,728 für Perkins
beschrieben, die durch Bezugnahme alle vollständig hierin aufgenommen sind.
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Die
elektrostatische Spritzpistole kann entweder eine manuelle oder
automatische sein. Manuelle Spritzpistolen werden von einem Maler
gehalten und ausgelöst.
Beispiele manueller Spritzpistolensysteme umfassen das SURE COAT
® – Manual Spray
Gun System, das von Nordson Corp. aus Westlake, Ohio, hergestellt
wird. Automatische Spritzpistolen werden durch eine Steuerung ausgelöst. Automatische
Spritzpistolen können
feststehend sein oder an Pistolenbewegungseinrichtungen gehalten
werden. Beispiele automatischer Spritzsysteme umfassen das automatische
VERSA-SPRAY
® II – Automatic
Spray System und das VERSA-SPRAY
®-11-PE-Porcelain
Enamel Spray System mit SURE COAT
®-Control,
alle von Nordson Corp. aus Westlake, Ohio, hergestellt. Beispiele
verschiedener, für
die vorliegende Erfindung geeigneter Spritzpistolen sind im US-Patent
Nr.
6,375,094 B1 für Schroeder
u. a., US-Patent Nr.
5,938,126 für Rehman
u. a., US-Patent Nr.
5,908,162 für Klein
u. a., US- Patent
Nr.
5,904,294 für Knobbe
u. a., US-Patent Nr.
5,816,508 für Hollstein
u. a., US-Patent Nr.
5,725,161 für Hartle
beschrieben, wobei deren gesamte Offenbarungen durch Bezugnahme
hierin vollständig
integriert sind. Zusätzlich
zu den oben angegebenen Beispielen ist die vorliegende Erfindung grundsätzlich auf
jede Art von Spritzpistolen anwendbar, die Coranaimpulsladung oder
Coranaimpulsladung mit Triboaufladung anwenden. Insbesondere ist die
Erfindung jedoch besonders für
Pistolen vom Coronatyp geeignet, die integrierte Netzteile besitzen.
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Es
ist wichtig anzumerken, dass, obwohl die beispielhaften Ausführungsformen
hierin im Hinblick auf elektrostatische Pulverspritzpistolen vom
Coronatyp beschrieben werden, eine derartige Beschreibung als Beispiel
gedacht ist und nicht in einem beschränkenden Sinn ausgelegt werden
sollte. Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung können mit
jeder elektrostatischen Auftragsvorrichtung und in vielen unterschiedlichen
elektrostatischen Auftragssystemen angewendet werden. Die vorliegende Erfindung
ist somit in keiner Weise auf eine bestimmte Auftragsvorrichtungskonfiguration
beschränkt,
wie manuelle oder automatische, positiv aufladende oder negativ
aufladende, oder auf eine bestimmte Spritzkabine, ein bestimmtes
Speise- oder Zuführungssystem
oder eine bestimmte Beschichtungsmaterialart. Die vorliegende Erfindung
kann auch mit kombinierten Einrichtungen verwendet werden, wie zum
Beispiel elektrostatischen Auftragsvorrichtungen, die Coronaimpulsladungs-
und Triboaufladungsmerkmale nutzen. Außerdem sollten, obwohl verschiedene Ausführungsformen
und Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin sowohl als alternative
Ausführungsformen
als auch in verschiedenen Kombinationen, Unterkombinationen und
Anwendungen beschrieben werden, solche Beschreibungen nicht in einem
beschränkenden
Sinn ausgelegt werden. Die verschiedenen Aspekte, Vorteile und/oder
Ausführungsformen
der Erfindung können
einzeln oder in verschiedenen Kombinationen und Unterkombinationen
innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung verwendet
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 kann die Spritzpistole 12 ein
externes Gehäuse 22 umfassen, das
verschiedene elektronische und mechanische Teile der Spritzpistole
aufnimmt, wie zum Beispiel eine Spritzdüse, Ventile, Schalter und so
weiter. Ein geeigneter Schlauch 19 wird verwendet, um der
Pistole 12 Beschichtungsmaterial vom Zuführungszentrum 18 oder
einer anderen geeigneten Beschichtungsmaterialquelle zur Verfügung zu
stellen. Wenn notwendig, kann der Spritzpistole auch Druckluft zugeführt werden
(nicht gezeigt). Wie in 2 schematisch dargestellt ist,
nutzt eine erfindungsgemäße Spritzpistole
ein internes Netzteil 100, das die elektrischen Verbindungen
zur Spritzpistole vereinfacht. Alternativ kann das interne Netzteil 100 jedoch,
wie es hierin beschrieben wird, so gestaltet sein, dass es auch
mit einer externen Schaltung kommuniziert, wenn es so gewünscht wird,
um zum Beispiel Bedienereingaben, Übersteuerungen, Rückführung und Offline-Datenanalysen
zu erlauben, um einige Beispiele zu nennen. Vorzugsweise ist das
interne Netzteil 100 in einer Ausführungsform so gestaltet, dass es
eine selbständige
Regelung für
die elektrische Arbeitsweise der Spritzpistole 12 ist.
Das interne Netzteil 100 arbeitet ab einem konstanten Spannungseingangssignal 102,
wie zum Beispiel einer 24 Volt-Gleichspannungsquelle 16.
Alternativ kann das Spannungseingangssignal 102 in einem
akzeptablen Bereich arbeiten, zum Beispiel 10–30 Volt Gleichspannung, wenn
ein interner Spannungsregler im internen Netzteil 100 vorgesehen
ist. Die Größe des Eingangssignals 102 wird
durch die Leistungserfordernisse des Netzteils 100 bestimmt.
Der Spannungseingang 102 kann eine Spannungsquelle sein, die
sich außerhalb
der Spritzpistole befindet, wie es in 2 dargestellt
ist, oder kann in einigen Fällen
intern erzeugt werden. Ein wichtiger Aspekt ist, dass das interne
Netzteil 100 keine externe veränderliche Eingangsleistung
als Teil der Regelungsfunktion erfordert, wie es beim Stand der
Technik der Fall ist.
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Das
interne Netzteil 100 muss typischerweise auch keine selbständige Einheit
sein, die in ihrem eigenen Gehäuse
oder Umhüllung
gehalten und zum Abschirmen und zur Isolation geeignet eingebettet ist.
Unabhängig
von der verwendeten Einbautechnik ist das interne Netzteil 100 erfindungsgemäß so angepasst,
dass es im Spritzpistolengehäuse 22 zur Anwendung
während
normaler Auftragsvorgänge eingebaut
werden kann. Die verschiedenen Teile und Komponenten des Netzteils 100 können in
jeder erforderlichen oder geeigneten Art und Weise in der Spritzpistole
eingebaut werden und müssen
nicht notwendigerweise in einem gemeinsamen Gehäuse oder in einem einzigen
Raum im Pistolengehäuse sein.
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Das
interne Netzteil 100 kann zur Erleichterung der Beschreibung
begrifflich in drei Hauptabschnitte geteilt werden. Diese sind ein
Regelkreis 104, ein Vervielfacherabschnitt 108 und
ein Rückführabschnitt 110.
Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch leicht erkennen, dass die
verschiedenen Komponenten in einem tatsächlichen Netzteil in vielen
verschiedenen Konfigurationen eingebaut werden können.
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Der
Regelkreis 104 kann in Form eines digital programmierbaren
Regelkreises realisiert werden, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor,
Mikrokontroller oder DSP (Digital Signal Processing)-basierten Regelkreis.
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ersetzt der Regelkreis 104 den resonanten
Oszillator, wie er in Systemen des Standes der Technik verwendet
wird, und ist programmierbar, um ein schwingendes oder anderes zeitvariables
Ausgangssteuersignal 106 zu erzeugen, das an einem Eingang
zu einer Vervielfacherschaltung 108 empfangen wird. Durch die
Fähigkeit,
das Steuersignal digital oder in anderer Weise intern zu regeln,
kann der Regelkreis 104 die Frequenz des Steuersignals
verändern,
um die Leistungsfähigkeit
des Netzteils zu optimieren. Durch Anwendung eines programmierbaren
Regelkreises 106 zum Erzeugen des Steuersignals für den Vervielfacher 108 umgeht
das interne Netzteil 100 die Notwendigkeit für irgendeinen
externen variablen Eingangswert, sondern wird stattdessen intern
gesteuert. Der externe Eingang 102 kann nichts weiter als eine
einfache ungeregelte Spannungsquelle sein. Da der interne Regelkreis 104 nicht
von irgendeinem externen Steuersignal abhängt, ist die Fähigkeit
des Regelkreises 104, auf veränderte Bedingungen im Netzteil,
wie Last, Temperatur und so weiter zu reagieren, und schnelle Veränderungen
in den Betriebsparametern des Netzteils zu bewirken, erheblich vergrößert. Während zum
Beispiel beim Stand der Technik ein internes Netzteil auf externe
Regelfunktionen im Millisekundenbereich reagieren konnte, kann ein
erfindungsgemäßes intern
geregeltes Netzteil im Mikrosekundenbereich reagieren. Zusätzlich und
in alternativen Ausführungsformen
kann der Regelkreis 104 Speicherkapazitäten zum Speichern von Netzteilbetriebskenndatenparametern
und Daten zur Anwendung in Vergleich mit Echtzeitbetriebsdaten als
Teil einer Diagnosefähigkeit
umfassen. Die Anwendung einer internen programmierbaren Regeleinrichtung 104 erhöht außerdem die
diagnostischen Überwachungs-
und Antwortzeitfähigkeiten
des internen Netzteils 100 erheblich, da keine Notwendigkeit für externe
Anschlüsse
an eine externe Regeleinrichtung besteht.
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Der
Vervielfacherabschnitt 108 kann eine konventionelle Konstruktion
haben, und kann als solcher einen Aufspanntransformator 110 und
eine Vervielfacherschaltung 112 umfassen, wie zum Beispiel eine
Cockroft-Walton-Brückenschaltung,
die eine Reihe von Kapazitätsdiodenstapeln
besitzt. Ein oder mehrere Widerstände 114 können ebenfalls
verwendet werden, um den Ausgangsstrom zur Hochspannungselektrode 116 der
Spritzpistole zu begrenzen, wie es bekannt ist.
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Der
dritte oder Rückführabschnitt 118 des
internen Netzteils ist ein geeignetes System zum Vorsehen von Rückführsignalen
betreffend das Betriebsverhalten des Netzteiles 100, und
obwohl optional, wird die Rückführschaltung 118 typischerweise
verwendet, um die Fähigkeiten
des Regelkreises 104 vollständig zu nutzen. Beispielsweise
durch Überwachen
des Laststromes kann der Regelkreis 104 das Eingangssteuersignal 106 so
einstellen, dass Überlastbedingungen
vermieden werden, oder um die Arbeitsweise des Netzteiles 100 zum
Erhöhen
der Leistung durch Einstellen der Lastlinienkenndaten des Netzteiles
in Reaktion auf die sich verändernden Lastbedingungen
zu modifizieren. Da die Rückführsignale
und die Regelfunktion alle innerhalb des Netzteiles 100 sind,
können
sehr schnelle Reaktionszeiten erreicht werden, ohne auf den Austausch
von Signalen mit einer externen Regeleinrichtung angewiesen zu sein.
Des Weiteren kann der Regelkreis 104 durch die Anwendung
eines geregelten durchstimmbaren Oszillators, im Unterschied zu
einem resonanten Oszillator zum Beispiel, die Netzteilleistung durch Einstellen
der Steuerfrequenz in Reaktion auf die gespeicherten parametrischen
Kenndaten als auch die Rückführinformationen
einstellen.
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Unter
Bezugnahme auf
3 umfasst der Regelkreis
104 in
einer beispielhaften Ausführungsform
eine programmierbare Regeleinrichtung
120, wie zum Beispiel
irgendeiner aus einer großen
Anzahl kommerziell erhältlicher
Mikrocontroller, Mikroprozessoren oder DSP-Schaltungen, um einige
Beispiele zu nennen, die den Fachleuten auf dem Gebiet allgemein
bekannt sind und in konventioneller Art und Weise programmiert werden
können.
Die Regeleinrichtung
120 umfasst oder steht in Verbindung
mit einer Speichereinheit
122. Der Speicher kann zum Beispiel
bei der Herstellung programmiert werden, so dass er Betriebsparameter,
Daten und Informationen umfasst, wie zum Beispiel Leerlaufsteuerstrom,
mittlerer Laststeuerstrom, maximaler Laststeuerstrom, Anschaltspannung,
Kurzschlusssteuerstrom, Temperaturbereichparameter und Netzteilreaktion
unter Temperatur und so weiter, um einige Beispiele zu nennen. Des
Weiteren kann ein Hersteller die Arbeitsweise des Netzteiles mit
Daten und Informationen definieren, die die Beziehung zwischen Netzteileingangs-
und Ausgangskenndaten unter verschiedenen Lastbedingungen definieren.
Diese Beziehungen können
oft in Form einer Reihe mathematischer Gleichungen und Daten definiert
werden, wobei die Informationen in der Speichereinheit
122 gespeichert werden
können,
um sie zum Regeln des Netzanschlusses zu verwenden, wenn sich die
Last ändert. Dieses
ist beispielsweise insbesondere unter geringen Lastbedingungen nützlich,
bei denen die Beziehungen zwischen der Rückführspannung und dem Laststrom
hochgradig nicht linear sein können.
Siehe zum Beispiel US-Patent Nr.
5,566,042 ,
das durch Bezugnahme vollständig
hierin aufgenommen ist. Die gespeicherten Daten können auch
solche Informationen umfassen, wie den Typ des Netzteiles, Herstelleridentifikationsdaten,
nützliche
Daten zur Betriebsdauer und so weiter. Die Regeleinrichtung
120 ist
so programmiert, dass sie diese Daten als Teil ihrer Regelfunktion
der Arbeitsweise des internen Netzteiles
100 nutzt.
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Ein
geeigneter Spannungsregler 124 empfängt die externe konstante Eingangsspannung 102 (in 3 in
Phantomlinie gezeigt, da sie in dieser Ausführungsform als außerhalb
der Spritzpistole erzeugt betrachtet wird) und stellt eine geregelte
Speisespannung für
die elektronischen Komponenten des Regelkreises 104 zur
Verfügung.
Eine Zwischenschaltung 126 kann in konventioneller Art
und Weise verwendet werden, so dass ein Bediener oder eine andere
Person verschiedene Regelparameter oder Daten eingeben kann, wenn
es notwendig ist, beispielsweise durch eine geeignete Eingabe/Ausgabe- (I/O)-einrichtung, wie
eine Tastatur, eine Infrarot- (IR) -Schnittstelle, serielle Schnittstelle
und so weiter. Die Zwischenschaltung 124 kann auch verwendet
werden, um Daten an einen externen Computer oder eine andere Einrichtung
zur Analyse zu senden (nicht gezeigt). Wie in der Phantomlinie in 3 angegeben wird,
empfängt
die Regeleinrichtung auch die Rückführsignale 118,
die zur Eingabe in die Regeleinrichtung 120 geeignet formatiert
sind.
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Die
Regeleinrichtung 120 erzeugt in diesem Fall ein schwingendes
oder anderes zeitvariables Signal 128, wie zum Beispiel
ein impulsbreitenmoduliertes Signal (PWM-Signal), das verwendet
wird, um eine geeignete Schalteinrichtung 130 zu steuern.
Die Schalteinrichtung 130 kann zum Beispiel ein FET oder
eine andere, vorzugsweise Festkörperschalteinrichtung
sein, die einen Ausgang besitzt, der das Steuersignal 106 zum
Vervielfacher 108 ist (2). Durch
Anwenden eines PWM- oder anderen geeigneten digital geregelten Signals
kann die Regeleinrichtung 120 Eingangssteuersignaländerungen
zum Vervielfacher 108 bewirken, um die Arbeitsweise des Netzteiles 100 mit
sehr schnellen Reaktionszeiten zu regeln, die mit den Reaktionszeiten
der Schalteinrichtung 130 vergleichbar sind. Da alle Entscheidungen
innerhalb des Netzteils 100 getroffen werden, sind die
gesamten Regel- und Reaktionszeiten um Größenordnungen schneller als
beim bekannten Stand der Technik.
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Der
Steuersignalausgang 106 von der Schalteinrichtung kann
zum Beispiel ein PWM-Signal sein, das gefiltert ist, wie zum Beispiel
mit einem konventionellen Pi-Filter,
um ein niedriges harmonisches sinusförmiges Steuersignal an den
Transformator 110 des Vervielfachers zu erzeugen.
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Es
sollte beachtet werden, dass gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung die Anwendung eines programmierbaren
Regelkreises anstelle eines resonanten Oszillators die Regelung der
Ausgangsspannung von dem Netzteil erlaubt, so dass sie von so niedrig
wie 0 KV zu ihrer Höchstwertspannung
oder höher
verändert
wird. Resonante Oszillatoren erfordern typischerweise eine minimale Eingangsspannung,
bevor sie zu laufen beginnen, und dieses begrenzt wiederum die Spannungsausgangsleistung
des Vervielfachers auf ungefähr
30 KV oder mehr. Die Anwendung eines programmierbar geregelten Steuersignals
erlaubt die Regelung der Ausgangsspannung auf 0 KV.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform
eines internen Netzteiles zur Anwendung mit einer elektrostatischen
Auftragsvorrichtung gezeigt. Viele alternative Ausführungsformen
werden für
die Fachleute auf dem Gebiet leicht erkennbar sein und werden als
im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet. Die
Regeleinrichtung 124 ist in Form von Eingangsdioden 140 und
eines Filterkondensators 142 realisiert. Die Regeleinrichtung 120 steuert
eine FET-Schalteinrichtung 130, die an die Primärwicklung 144 des
Aufspanntransformators 110 angeschlossen ist. Eine Sekundärwicklung 146 des
Transformators 110 ist an den Vervielfacher 112 angeschlossen,
in Form einer Cockroft-Walton-Brückenschaltung.
Der Ausgang 113 des Vervielfachers 112 ist an
die Ausgangselektrode 116 der Auftragsvorrichtung angeschlossen. Typischerweise
sind ein oder mehrere Serienwiderstände Rs (4A) zwischen
dem Vervielfacherausgang 113 und der Elektrode 116 angeschlossen,
um den Laststrom zu begrenzen und die Lichtbogenwahrscheinlichkeit
zu reduzieren.
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Die
Regeleinrichtung 120 umfasst eine Anzahl optionaler -I/O-Schnittstelleneinrichtungen 126, die
mit einer externen Einrichtung oder Einrichtungen 148 kommunizieren,
wenn es erforderlich ist. Ein Rückkopplungswiderstand
RF ist an die Vervielfacherschaltung 108 angeschlossen,
um ein Rückführsignal 150 zu
erzeugen, das dem Laststrom entspricht (wie gezeigt ist, kann außerdem ein
Filterkondensator CF verwendet werden).
Wie in 4A gezeigt ist, können weitere
Rückkopplungswiderstandsreihen 152 verwendet
werden, um ein Ausgangsspannungsrückführsignal 154 zu erzeugen,
wobei beide Rückführsignale 150, 154 Eingang
zur Regeleinrichtung 120 sind. Die Anwendung der Rückführung ist
optional, verbessert aber die Regelfunktion der Regeleinrichtung 120 über die
Arbeitsweise des Netzteils 100 erheblich.
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Wenn
die Betriebsparameter einer Spritzpistole und eines internen Netzteils
bestimmt sind, wie zum Beispiel während der Fertigungsprüfung, speichert
der Regelkreis 104 diese Parameter und Pistolentypidentifikationsdaten
im Speicher 122. Eine Benutzereingabeeinrichtung wird vorzugsweise
verwendet, um alphanumerische Informationen über eine Tastatur oder ähnliches
Keypad und/oder andere Informationen einzugeben, die durch eine
Maus oder andere Zeigereinrichtungen) über die Schnittstelle 126 vorgesehen
werden können.
Eine Anzeigeeinrichtung (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um
vom System erzeugte Informationen anzuzeigen, und umfasst vorzugsweise
CRT- oder LCD-Displays.
Ein Display kann auch an der Spritzpistole selbst zusammen mit manuellen
Kontrollschaltern für
manuelle Eingaben an den Regelkreis 104 vorhanden sein.
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Während des
Betriebes umfassen vom internen Netzteil 100 gelesene Daten
die Netzteilbetriebsparameter, wie zum Beispiel minimaler Steuerstrom,
maximaler Steuerstrom und Rückführstrominformationen.
Der minimale Steuerstromparameter würde den niedrigsten Strompegel
für eine
gegebene Steuerspannung repräsentieren,
die für
die Arbeitsweise des Netzteiles unter Leerlaufbedingungen erforderlich
ist. Der maximale Steuerstromparameter würde den Strompegel repräsentieren,
der für
eine gegebene Steuerspannung erforderlich ist, die erforderlich
ist, um das Netzteil unter einer spezifischen Volllastbedingung
zu betreiben. Diese beiden Parameter würden das Steuerstromarbeitsfenster
für das Netzteil
bei der gegebenen Steuerspannung definieren. Deshalb vergleicht
die Regeleinrichtung 120 diese Parameter während der
normalen Arbeitsweise mit dem gegenwärtigen Steuerstrom. Wenn der
Steuerstrom außerhalb
dieser Fenster liegt, würde
es der Regeleinrichtung anzeigen, dass das Netzteil anomal arbeitet.
Wenn das Netzteil zum Beispiel mit einem Steuerstrom von weniger
als der minimal erforderlichen Spannung arbeitet, um das Netzteil
unter Leerlaufbedingungen zu betreiben, muss etwas mit dem Netzteil
falsch sein.
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Darüber hinaus
kann ein Netzteil einen minimalen Steuerstrom von 50 mA haben, während ein anderes
Netzteil, wie getestet, einen minimalen Steuerstrom von 75 mA hat.
Das heißt,
dass erste Netzteil ist leistungsfähiger, weil es nur 50 mA erfordert,
um das Netzteil unter Leerlaufbedingungen zu speisen, während das
zweite Netzteil 75 mA erfordert, um das Netzteil unter Leerlaufbedingungen
zu speisen. Dieses bedeutet auch, dass eine Anzeige von 60 mA für das zweite
Netzteil ein Problem anzeigt – da
mindestens 75 mA für
die Arbeitsweise erforderlich sind, würde jedoch kein Problem in
Bezug auf das leistungsfähigere
erste Netzteil angeben, das nur 50 mA zum Betrieb erfordert. Somit
kann erfindungsgemäß dadurch,
dass die Regeleinrichtung auf die individuellen, mit jedem einzelnen
Netzteil verbundenen Parameter zugreifen kann, das System aus der Überwachung
des Netzteilsteuerstromes genauer bestimmen, ob es zum Beispiel
ein Problem mit einem bestimmten Netzteil für eine elektrostatische Spritzpistole
gibt. Ohne solch eine Möglichkeit
mussten Regelsysteme in der Vergangenheit ein sehr breites Akzeptanzfenster
für einen
Netzteilparameter vorgeben, wie zum Beispiel den Steuerstrom. Diese
bekannten Regelverfahren erlaubten die Weiterverwendung einiger
elektrostatischer Spritzpistolen, nachdem ihre Netzteile sich verschlechtert
haben oder funktionsuntüchtig
wurden, so dass das Pulverbeschichtungsmaterial nicht mehr effektiv
aufgeladen wird.
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5 zeigt
in vereinfachter Art und Weise eine Ausführungsform zum Aufbau einer
elektrostatischen Spritzpistole 200 gemäß der Erfindung. Die Spritzpistole
umfasst typischerweise ein externes Gehäuse 202, das typischerweise
aus einem nicht leitfähigen
Material, wie PVC, hergestellt ist. Am hinteren Ende der Pistole 200 ist
der Regelkreis 104 angeordnet, der vorzugsweise in einem
abgeschirmten Gehäuse 204 (mit
den gestrichelten Linien in 5 dargestellt)
angeordnet und vergossen ist. Die Schalteinrichtung 130 kann
an einer Wärmeableitvorrichtung 206 oder
einer anderen geeigneten Haltevorrichtung angeordnet sein. Da der
Regelkreis 104 mit Niederspannung arbeitet, kann er entweder
im Handgriff der Pistole oder in einer hinteren Verlängerung
des Gehäuses 202 (wie
gezeigt) getrennt vom Handgriff angeordnet sein. Das Gehäuse 202 umfasst
in diesem Beispiel die Vervielfacherschaltung 108, die
den Aufspanntransformator 110, den Kapazitätsdiodenstapel 112 und
die Widerstände 114 besitzt.
Die Leistungsrückkopplungswiderstände 152 (4A)
können
zum Beispiel ebenfalls in diesem Abschnitt angeordnet sein. Beachte,
dass die elektronische Schaltungsanordnung sowohl elektrisch als auch
thermisch vom vorderen Ende der Pistole, das die Auslasselektrode 116 besitzt,
gut isoliert ist.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung durch Beschreibung ihrer Ausführungsformen
dargestellt wurde, und obwohl die Ausführungsformen in beachtlicher
Ausführlichkeit
beschrieben wurden, ist es nicht die Absicht der Anmelder, den Schutzbereich
der anhängigen
Patentansprüche
auf solche Einzelheit zu beschränken
oder in irgend einer Weise zu begrenzen. Zusätzliche Vorteile und Modifikationen
werden Fachleuten auf dem Gebiet leicht erkennen. Zusätzliche
Informationen über
die Betriebsparameter und Spritzpistolentypidentifikation hinaus
können
einbezogen werden, wie zum Beispiel Testanlage, Testbediener, Datum
der Pistolenherstellung, Wartungsintervalle, usw. Deshalb ist die Erfindung
in ihren breiteren Aspekten nicht auf die spezifischen Einzelheiten,
die repräsentative
Vorrichtung und gezeigten und beschriebenen illustrativen Beispiel
beschränkt. Demzufolge
können
Abweichungen von solchen Einzelheiten ohne Abweichen vom Sinn oder
Schutzumfang des allgemeinen Erfindungskonzepts der Anmelder gemacht
werden.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft ein internes Netzteil für eine elektrostatische Auftragsvorrichtung,
umfassend einen programmierbaren Regelkreis, der ein Steuersignal
erzeugt; und eine Vervielfacherschaltung, die das Steuersignal empfängt und
ein Spannungsausgangssignal erzeugt; wobei der Regelkreis und der
Vervielfacher zum Einbau in eine elektrostatische Auftragsvorrichtung
angepasst sind, die eine an das Spannungsausgangssignal gekoppelte
Ladeelektrode besitzt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrostatische
Spritzpistole, umfassend ein internes Netzteil, umfassend einen
Regelkreis und eine Vervielfacherschaltung; wobei die Vervielfacherschaltung
ein Spannungseingangssignal empfängt und
ein Steuersignal erzeugt, das Eingangssignal zur Vervielfacherschaltung
ist; die Vervielfacherschaltung ein Ausgangssignal erzeugt, das
von ungefähr
0 kV bis mindestens 30 kV in Reaktion auf das Steuersignal regelbar
ist; das Ausgangssignal an eine Ladeelektrode in der Spritzpistole
gekoppelt ist.
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