DE29707901U1 - Vorrichtung zur gesteuerten Stromversorgung von Elektrogeräten - Google Patents

Description

OTTE & JAKELSKlV *^: V .··' PATENTANWÄLTE

PETER OTTE, DIPL.-ING, MAfTRE EN SCIENCES APPLIQUEES

DR. JOACHIM JAKELSKI, dipl.-phys.

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02 .05.1997

Herr Gerhard Kurz, IndustriestraSe, 753 82 Althengstett

Vorrichtung zur gesteuerten Stromversorgung von Elektrogeräten

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur gesteuerten Stromversorgung von Elektrogeräten einschließlich einer gesonderten Einschaltfunktion, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Elektrogeräten, insbesondere Elektrohandgeraten wie Bohrer, Sägen, Schrauber u.dgl., die in großer Vielfalt insbesondere als Heimgeräte angeboten werden, ist es üblich, die von dem Elektrogerät aufgenommene und letztlich an seiner Ausgangswelle abgegebene Leistung den jeweiligen Anforderungen anzupassen. Dies ist insbesondere für Schrauber von Bedeutung, damit beim Einschrauben, aber auch beim Herausdrehen von Schrauben entsprechend behutsam vorgegangen werden kann.

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Zur Leistungssteuerung bedient man sich normalerweise der sogenannten Phasenanschnitt-Steuerschaltung, bei der in Reihe mit der Last, üblicherweise also dem Elektromotor bei Elektrohandgeräten, ein Triac geschaltet ist, der die Netzversorgungsspannung oder eine sonstige, auch aufgrund einer mit Hilfe von Akkus zur Verfugung gestellte zerhackte Gleichspannung zu einem einstellbaren Zündzeitpunkt im Verlauf jeweils einer Halbwelle zum Verbraucher durchschaltet, wodurch eine wirksame Steuerung von dessen Stromaufnahme möglich ist.

Gleichzeitig hiermit ergibt sich das Erfordernis, für das jeweilige Elektrogerät eine Einschaltfunktion zu realisieren, damit beispielsweise nicht jedes Mal der Netzstecker gezogen werden muß, wenn der Betrieb des Elektrogeräts unterbrochen werden soll.

Vorrichtungen zur Leistungssteuerung von elektrischen Verbrauchern, die an eine Wechselspannung, üblicherweise die Netzspannung angeschlossen sind, sind in vielfältiger Form bekannt und umfassen zumeist die Phasenanschnittschaltung, durch welche sich der Zündwinkel bei der dem Verbraucher zugeführten elektrischen Wechselgröße in gewünschter Weise verstellen läßt, wodurch die zugeführte Leistung geregelt werden kann.

Bekannt sind solche Phasenanschnittsteuerungen beispielsweise aus der DE 33 03 126 C2, die eine Vorrichtung zur Einschaltstrombegrenzung bei einer mit einer Phasenanschnittsteuerschaltung versehenen Motorsteuerung für den Antriebsmotor eines Staubsaugers

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betrifft, sowie beispielsweise aus der DE 43 27 070 Cl, in welcher eine Vorrichtung zur Regelung der Leistungsaufnahme eines Staubsaugers beschrieben ist, bei welcher über eine Phasenanschnittschaltung die dem den Staubsauger antreibenden Elektromotor zugeführte Wechselspannung auf einen solchen Wert geregelt wird, daß dieser dem Effektivwert der Motorspannung entspricht. Die dabei jeweils verwendeten Phasenanschnitt-Steuerschaltungen enthalten üblicherweise einen Triac, der in Reihe mit dem elektrischen Verbraucher, in diesem Falle also Elektromotor, ans Netz geschaltet ist und den Elektromotor mit einer lückenden (Sinus)Spannung versorgt, je nach gewünschter Leistung.

Geht man von einer aus diskreten Bauelementen aufgebauten Schaltung für den Phasenanschnitt aus, wobei hier allerdings beliebig hoch integrierte Realisierungsmöglichkeiten bis zur reinen Mikroprozessorsteuerung denkbar und möglich sind, dann umfaßt die Phasenanschnittsteuerung im Ansteuerkreis für den Triac einen üblicherweise als Potentiometer oder Trimmer einstellbaren Widerstand sowie einen Ladekondensator zur Zündung des Triacs je nach eingestelltem Widerstand, so daß durch entsprechende Verschiebung des Zündwinkels praktisch beliebige Zwischenleistungen bis zum VoIlwinkel auf Wunsch abrufbar sind.

Speziell bei Elektrohandgeräten ist es erwünscht, die elektrische Steuerung für den gesamten Funktionsablauf im Gerät, also Einschaltfunktion sowie gesteuerte Stromzuführung über die Phasenanschnittsteuerschaltung möglichst platzsparend und kompakt innerhalb des Geräts und von außen durch entsprechende Betätigungsgriffe,

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Schalter, Hebel oder Drücker zugänglich so anzuordnen, daß der Betrieb des jeweiligen Elektrowerkzeugs, beispielsweise wenn dieses handgeführt ist, mit der gleichen Hand, die einen häufig pistolengriffartig ausgebildeten Teil des Gerätes umfaßt, auch geregelt werden kann, indem beispielsweise der Zeige- oder Mittelfinger einen Drückerschalter oder Drückerhebel betätigt.

Diese Drückerschalter sind daher üblicherweise so ausgeführt, daß sie auf einem ersten Teilweg unmittelbar nach Betätigung einen gesonderten Netzschalter innerhalb des Geräts betätigen, so daß der elektrische Bereich des Geräts mit Spannung versorgt wird, wobei dann auf dem weiteren Betätigungsweg eine sogenannte Gasgebefunktion realisiert werden kann, die in geeigneter Weise der Verschiebung eines Potentiometers &ogr;. dgl. im Steuerkreis für den Triac dient, so daß dieser durch Verlegung seines Zündzeitpunktes mehr oder weniger aufgesteuert wird.

Ein solcher die Einschaltfunktion in Verbindung mit einem äußeren Druckschalter, Triggerschalter oder sonstigem Schiebehebel realisierender Netzschalter ist, da er das gesamte Gerät, gegebenenfalls auch bei voller Drehzahl vom Netz zu trennen hat, entsprechend kräftig für das Schalten und Führen hoher Ströme ausgelegt und daher kostspielig, aund ist als gesondertes Bauteil mit eigenem Gehäuse an beliebiger Stelle im Gerät oder auch im Bereich der die Phasenanschnittsteuerung lagernden Platine angeordnet.

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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Einschaltfunktion für solche Elektrogeräte, die von einer Phasenanschnitt-Steuerschaltung gesteuert mit Strom versorgt werden, entscheidend zu vereinfachen und insbesondere die Kosten für den stets vorhandenen Schalter für die Stromversorgung entscheidend zu reduzieren.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hat den Vorteil, daß der vorgesehene Schalter für die gesamte Einschaltfunktion des Geräts aus dem Netzbereich herausgenommen und in den Ansteuerbereich für den Triac der stets vorhandenen Phasenanschnitt-Steuerschaltung verlegt ist, wo der Schalter nur mit drastisch reduzierten Strömen belastet wird und daher hinsichtlich Struktur, verwendeter Materialien, seiner Lagerung und Grundfunktionen einen erheblich geringeren Aufwand erforderlich macht. Ein solcher Schalter ist daher kostengünstig herzustellen und kann mit Vorteil unmittelbar auf der Platine gelagert werden, die auch die sonstigen elektrischen Schaltungselemente, beispielsweise für die Phasenanschnitt-Steuerschaltung trägt.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Schalterkomponenten (beweglicher Schalthebel und Gegenkontakt) direkt auf der Platine, die insofern eine Art Trägergehäuse für den Schalter bildet, gelagert werden können, wobei diese Schalterteile unmittelbar mechanisch mit der Platine verbunden sind und ferner

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die Gelegenheit wahrnehmen, auch für ihre elektrische Kontaktierung die durch die Platine gebotenen Möglichkeiten auszunutzen, nämlich die Verbindung dieser Schalterkomponenten direkt mit den Leiterbahnen auf der Platine.

So ist es möglich, den Schalter in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als einfache, entsprechend abgebogene Metallzunge in Form eines einfachen Blechstanzteils herzustellen, wobei die Schalterbetätigung problemlos dadurch erfolgen kann, daß ein externes Betätigungsglied, welches am Gerätegehäuse von außen zugänglich ist, über den Bereich der Platine geführt ist, auf welcher sich der Schalter befindet, so daß die Metallzunge von dem Betätigungsglied bei dessen eigener Bewegung eine Bewegung relativ zur Platine erfährt, die zur Kontaktgabe ausgenutzt werden kann. Die den Schalter hauptsächlich bildende Metallzunge ist in diesem Falle einseitig auf der Platine gelagert und kann vom Betätigungsteil bei dessen Verscheibung entsprechend auf einen Kontaktpunkt auf der Platine rückgebogen werden, wobei dieser Kontaktpunkt den einzigen weiteren Bestandteil des Schalters bildet.

Insofern stellt die Platine, da sie die Lagerung der Schalterkomponenten übernimmt, gleichzeitig auch das Schaltergehäuse dar und dient vorzugsweise gleichzeitig auch noch der Lagerung für das Betätigungselement, welches in an sich beliebiger Weise jedenfalls so ausgebildet ist, daß die von der Bedienungsperson auf den äußeren Endbereich des Betätigungselementes ausgeübte Druckbewegung umgesetzt wird in eine Bewegung der Metallzunge in Richtung auf den Kontaktpunkt zu

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dessen Kontaktierung und damit Einschaltung des Gate-Stroms zum Triac und Anlaufen des Geräts.

Die Lagerung für das Betätigungselement auf der Platine kann durch beidseitig des Betätigungselements auf der Platine angeordnete Lager/Gleitblöcke erfolgen, längs welcher das Betätigungselement etwa in Schienen- oder Nutführungen gleitet, wobei die Metallzunge über einen hochgebogenen Endbereich verfügen kann, der beim Überlaufen durch eine Nocke vom Betätigungselement nach unten, jedenfalls in Richtung auf die Platine und auf den Kontaktpunkt gedrückt wird, so daß es zu einer Kontaktgabe zwischen der Metallzunge und dem Kontaktpunkt kommt. Es fließt dann der geringe Gate-Strom, der bei einem praktischen Ausführungsbeispiel etwa zwischen 50 bis 100 mA liegen kann, verglichen mit dem sonst bei solchen eine Einschaltfunktion für ein Elektrogerät realisierenden Schaltern fließenden Strom von von bis zu 5 A oder mehr, gegebenenfalls sogar noch sehr viel mehr, wenn gehackter Gleichstrom bei einem akkugespeisten Niederspannungsgerät geschaltet werden muß.

Ein weiterer Vorteil einer Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß sowohl der Schalter für den Gate-Strom als auch das Einstellpotentiometer für die Zündwinkelvorgabe der Phasenanschnitt-Steuerschaltung auf der gleichen Platine angeordnet sind, so daß es möglich ist, durch entsprechende kinematische Elemente oder einer entsprechend gleichsinnigen Anordnung der Betätigungsteile für Schalter und Potentiometer für die Phasenanschnittsteuerung dafür zu sorgen, daß das Betätigungselement zunächst den Schalter betätigt und

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den Triac einschaltet und anschließend in Verlängerung seiner Bewegungsrichtung das Potentiometer entsprechend verstellt, so daß durch entsprechende Verlegung des Triggerzeitpunkts für den Triac die Motorleistung den Wünschen angepaßt, nämlich gesteigert oder auch verringert werden kann. Die Verringerung der Motorleistung über einen unteren Schwellwert hinaus führt dann wieder zur Abschaltung, nämlich Öffnen des Schalters für den Gate-Strom des Triacs, wenn die Schalt zunge vom Betätigungselement freigegeben wird und sich rückfedernd in ihre kontaktfreie Ausgangsposition begibt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen und Merkmale sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung in Draufsicht eine mögliche Platinenform mit auf ihr gelagerten Schaltungselementen einschließlich einer Metallzunge für die Realisierung der Einschaltfunktion, zusammen mit weiteren Baukomponenten;

Fig. 2 in stark vergrößerter Ausschnittdarstellung in Seitenansicht eine mögliche Ausführungsform der Lagerung der Metal !zunge auf der Platine in Verbindung mit einer möglichen Betätigung, also Bewirkung einer Kontaktgabe

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der Metallzunge durch Verschieben eines Betätigungselements;

Fig. 3 in einer Ansicht von hinten die Metallzunge als Hauptbestandteil des Schalters mit unteren Fortsätzen zur Befestigung auf der Platine und gleichzeitigen Kontaktierung von Platinen-Leiterbahnen und

Fig. 4 ein mögliches Schaltungsbeispiel für eine Phasenanschnitt-Steuerschaltung von grundsätzlich bekanntem Aufbau, jedoch mit Anordnung des Schalters im Steuerkreis für den Triac.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Platine 10 gezeigt, die nach Form und Abmessungen grundsätzlich beliebig gestaltbar ist und elektrische Schaltungskomponenten lagert, auf die im einzelnen nicht eingegangen zu werden braucht, da diese Bestandteile von für sich gesehen bekannten Phasenanschnitt-Steuerschaltungen für Elektrogeräte u.dgl. sein können. Auf der Platine ist ein elektrisch leitendes, federndes Metallstück direkt gelagert, welches im folgenden als Metallzunge 11 bezeichnet wird und Bestandteil eines Schalters Sl ist, dessen Aufbau sich durch das Vorhandensein eines ebenfalls elektrisch leitenden und daher bevorzugt metallischen Kontaktpunktes 12 vervollständigt. Metallzunge 11 und Kontaktpunkt 12 sind unmittelbar von der Platine 10 gelagert, wie auch der seitlichen Ansicht der Fig. 2 entnommen werden kann, so daß die Platine Gehäusebestandteil des Schalters Sl ist, wobei die Metallzunge, die beispiels-

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weise aus einer geeigneten elastisch federnden Kupferoder Messinglegierung bestehen kann, eine längliche Erstreckung aufweist und mit einem Endbereich an der Platine 10 gelagert ist, während das andere Ende frei auskragend einen Abstand zur Platine und damit auch zum Kontaktpunkt 12 einhält, so daß der so gebildete Schalter Sl offen ist, wie in Fig. 2 in durchgezogener Linienführung auch gezeigt.

Im einzelnen kann die Metallzunge 11 so ausgebildet sein, daß vom Kontaktpunkt 12 und sich oberhalb dessen erstreckend ausgehend zunächst ein im Abstand zu diesem Kontaktpunkt und zur Platine gehaltenes längeres Teilstück vorgesehen ist, welches anschließend schräg nach unten in Richtung auf die Platine abgebogen ist, sich längs der Platine wieder um eine kürzere Teilstrecke erstreckt und dann die Platine mit einem oder zwei abgebogenen Beinchen 11a, 11b durchbricht, so daß die Endbereiche der Beinchen 11a, 11b auf der Leiterplattenseite der Platine - in Fig. 1 ist die Bestükungsseite in Draufsicht erkennbar - nach dem Durchstecken zu Tage treten, wo sie mit einer oder mehreren Leiterbahnen verbunden werden, und zwar durch einen entsprechenden Lötvorgang, beispielsweise Tauchlöten, was gleichzeitig eine sichere Fixierung der gesamten Metallzunge zur Folge hat.

In gleicher Weise ist der Kontaktpunkt 12, beispielsweise als kleiner Niet mit abgerundetem Kopf nach oben weisend ausgebildet, auf der Leiterbahnseite mit weiteren Leiterbahnen etwa durch Tauchlöten verbunden. Ein solchermaßen gebildeter Schalter von einfacher Form kann und braucht keine hohen Ströme zu führen, da er,

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wie eingangs schon erwähnt, lediglich im Ansteuerkreis des Triacs angeordnet ist und somit dessen Gate-Strom schaltet, was dann allerdings zur Durchsteuerung des Triacs TC (siehe Fig. 4) führt und damit zur Anschaltung der Last, die als Widerstand RL (alternativ) oder als Motor in Fig. 4 gezeigt ist, an die Netzanschlußklemmen Nl, M2.

In diesem Zusammenhang kann gleich darauf hingewiesen werden, daß der Schalter Sl im Steuerkreis für den Triac TC bevorzugt in Reihe mit dem RC-Glied für die Zeitverzögerung der Triggerimpulse für den Triac liegt, d.h. in Reihe mit dem Potentiometer Pl und dem Kondensator C, von deren Verbindungspunkt über einen Diac Dl und einen weiteren Reihenwiderstand Rl die Zuführung der Triggerimpulse zum Gate des Triacs TC vorgenommen wird. Es ist aber auch möglich, den Schalter als Sl' direkt in die Ansteuerleitung zum Gate, die vom Verbindungspunkt des Kondensators C mit dem Potentiometer Pl abzweigt, zu legen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist noch darin zu sehen, daß auch das Betätigungselement für die Schalterbewegung, welches in Fig. 2 mit 14 bezeichnet ist, zweckmäßigerweise ebenfalls an der Platine 10 gelagert, jedenfalls gleitverschieblich gehalten ist, so daß eine entsprechende Ausrichtung auf die Metallzunge 11 und somit auf die Betätigung des Schalters Sl, Sl' erzielt werden kann. Das Betätigungselement kann über eine der Form des Schalters angepaßte Nockengleitstrecke 14a verfügen, die bei linearer Querbewegung des Betätigungselements in Richtung des Pfeils A (Fig. 2), also längs der Oberfläche der Platine 10, auf die

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mittlere Abschrägung lic der Metallzunge 11 auftrifft und deren vorderen Teil längs der Richtung des Pfeils B (Fig. 2) nach unten drückt, so daß, wie die gestrichelte Linienführung zeigt, zwischen der Metallzunge und dem Kontaktpunkt 12 eine Kontaktgabe erfolgt, was gleichzeitig eine Kontaktverbindung zwischen den mit diesen beiden Anschlußpunkten verlöteten Leiterbahnen der Platine bedeutet, so daß der Schalter Sl, Sl' im Schaltbild der Fig. 4 geschlossen ist.

Zur Führung des Betätigungselements 14 längs der Platine 10 können beidseitig der Schalterzunge Führungsblöcke 15a, 15b vorgesehen sein, die in der Zeichnung nur schematisch angedeutet sind und das Betätigungselement beispielsweise mittels Nutgleitführungen halten. Die Schaltbewegung des Betätigungselements erfolgt dann durch einen geeigneten Drückerschalter, Drückerknopf oder Triggerhebel von außerhalb des Geräts, so daß sich ein rückwärtiger Teil des Bedienungselements 14a durch eine entsprechende Gerätegehäuseöffnung nach außen erstreckt, an welcher ein Finger eines Benutzers angreift. Gleichzeitig ist es möglich, auf der Platine angeordnete Potentiometer o.dgl. so zu legen, daß das Betätigungselement 14 auch die Verstellung des Potentiometers übernimmt - da hier beliebige Ausbildungsformen, je nach Anwendungszweck, Form der Platine und verwendetem Potentiometer (Linearpotentiomater oder Drehpotentiometer) möglich sind, die insofern innerhalb fachmännischen Rahmens liegen, braucht auf solche Ausgestaltungen nicht weiter eingegangen zu werden.

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Sinnvollerweise wirkt auf das Betätigungselement 14 eine Rückstellfeder ein, die dieses bei Freigabe durch den Finger des Benutzers, also jedenfalls nach Wegnahme des Betatigungsdrucks in eine Ausgangsposition zurückführt, so daß sich auch die Metallzunge in ihre ursprüngliche Ausgangsposition oberhalb des Kontaktpunktes 12 begeben kann, der Schalter wieder trennt und das Gerät durch Sperren des Triacs abgestellt wird. Es fließt dann kein weiterer Strom durch die Last.

Claims (1)

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   Schutzansprüche

   1. Vorrichtung zur gesteuerten Stromversorgung von Elektrogeräten einschließlich Einschaltfunktion, insbesondere von Elektrohandgeraten mit zugeordneter Phasenanschnitt-Steuerschaltung, bei der in Reihe mit dem Verbraucher ein in beiden Richtungen der Versorgungswechselspannung schaltendes elektrisches Schaltungselement (Triac) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) auf der die Schaltung lagernden Platine (10) eine die Einschaltfunktion realisierende federnde Metallzunge (11) befestigt ist, daß

   b) das andere von der Platine abstehende Ende der Metallzunge (11) im Kontaktwegbereich eines ebenfalls auf der Platine (10) befestigten Kontaktpunktes (12) angeordnet ist, daß

   c) beide mechanischen Lagerverbindungen von Metallzunge (11) und Kontaktpunkt (12) auf der Platine gleichzeitig elektrische Kontaktierungen bilden mit üblichen Leiterbahnen auf der Platinenrückseite, wobei

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   d) diese Kontaktierungen zu Anschlußpunkten im Ansteuerkreis des den Stromfluß durch die Last (M, RL) steuernden Triacs (TC) der Phasenanschnitt-Steuerschaltung führen derart, daß die durch eine Bewegung der Metallzunge hervorgerufene Kontaktgabe die Last über den nunmehr durchgeschalteten Triac je nach Einstellung mit entsprechend hohen Strömen versorgt bei gleichzeitig sehr geringem Stromfluß über den im Triac-Ansteuerkreis liegenden Schalter (Sl) aus Metallzunge (11) und Kontaktpunkt (12).

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzunge (mit Vorsprüngen) so im Verschiebeweg eines Betätigungselements (14) angeordnet ist, daß eine Verschiebebewegung des Betätigungselements (14) eine Kontaktierung des Metall zungenendes mit dem Kontaktpunkt (12) bewirkt, wobei das Betätigungselement (14) ebenfalls auf der Platine (10) gelagert, mindestens jedoch in seinem Bewegungsablauf zur MetallZungenbetätigung auf der Platine geführt ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die federnde Metallzunge (11) des Schalters (Sl) auf der Platine von ihrem einen gelagerten Ende ausgehend federnd nach oben im Abstand zur Platine verlaufend abgebogen ist und daß das von der Platine ebenfalls gelagerte Betätigungselement (14) eine der Abbiegung entsprechende nockenartige Laufbahn aufweist derart, daß bei einer Relatiwerschiebung von Betätigungs-

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   element (14) zu Metallzunge (11) bei Ausübung eines Einschaltbetätigungsdrucks durch den Benutzer der abgebogene Teil (lic) der Metallzunge (11) vom Betätigungselement (14) überlaufen wird und daraufhin der andere äußere Endbereich der Metal1-zunge den Kontaktpunkt (12) kontaktiert.

   4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Triggerzeitpunkt des Triacs über ein RC-Glied bestimmendes Potentiometer im Ansteuerkreis auf der Platine

   (10) so gelagert ist, daß es eine gleichzeitige (weitere) Verstellung über das bewegliche Betätigungselement (14) erfährt, nachdem dieses zunächst die Kontaktgabe des Schalters (Sl) veranlaßt hat.

   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Metallzunge

   (11) und Kontaktpunkt (12) bestehende Schalter auf der Platine in Reihe mit dem RC-Glied (Pl, C) im Ansteuerkreis des Triacs (TC) oder in der Leitung vom Verbindungspunkt des RC-Gliedes zum Gate des Triacs (TC) angeordnet ist.