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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stromversorgung,
wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 definiert ist. Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Installation zur Ausführung dieses
Verfahrens.
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Ein
Antrieb zum Steuern eines beweglichen Organs zum Verschliessen weist
im allgemeinen einen Gleichstrommotor, ein Untersetzungsgetriebe und
eine kinematische Verbindung zwischen dem Ausgang des Getriebes
und dem beweglichen Verschlussorgan auf. Die elektrische Leistung
des Motors liegt in der Grössenordnung
von einigen Hundert Watt.
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Ein
bedeutender Anteil der Leistung des Motors wird durch mechanische
Verluste im Untersetzungsgetriebe verbraucht. Da dieses Getriebe
in den meisten Fällen
nicht umkehrbar ist, ermöglicht
es eine Blockierung des beweglichen Organs, wenn der Motor nicht
mehr unter Strom steht.
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Man
verwendet normalerweise zum Antrieb von Garagentoren und Einfahrtstoren
eine Getriebemotor-Anordnung, wie sie üblicherweise zum Antrieb von
Scheibenwischern in Fahrzeugen eingesetzt wird, um Nutzen aus den
niedrigen Herstellungskosten zu ziehen, die auf den grossen Produktionsmengen
beruhen. Diese Getriebemotoren weisen eine Schneckenuntersetzung
auf. Es ist ebenfalls möglich,
einen umkehrbaren Getriebemotor mit verbessertem Wirkungsgrad zu
verwenden, und diesem als zusätzliche
Vorrichtung eine solche nachzuschalten, welche das bewegliche Schliessorgan
blockiert, wenn der Motor nicht mehr unter Strom steht.
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Ein
Problem, das sich bei der Speisung von Gleichstrommotoren stellt,
welche für
diese Anwendungen benutzt werden, betrifft die feste Verriegelung
des Tores. Ein wichtiger Vorteil eines motorisierten Tores ist nämlich im
allgemeinen die irreversible Eigenschaft des Antriebs, welche auf
dem Untersetzungsgetriebe oder aber auf der Anwesenheit eines zusätzlichen
Bauteils zum Blockieren des Rotors des Motors beruht. Wenn der Motor
nicht mehr mit Strom versorgt wird, ist es einem Unbefugten unmöglich, das
Tor zu öffnen,
ausser durch Einbruch, welcher dem Aufbrechen eines Schlosses gleich
kommt.
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Um
eine gute Verriegelung des Tores zu erreichen, ist es erforderlich,
dass der Motor ein hohes Drehmoment ausüben kann, und zwar im Verlauf
der Schliessphase, wenn seine Geschwindigkeit abnimmt und die elastischen
Teile unter eine mechanische Spannung gesetzt werden.
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Ein
weiteres Problem betrifft die eventuelle Gegenwart von schwergängigen Stellen
auf dem Laufweg des Tores. Eine solche schwergängige Stelle kann beispielsweise
auf einem Defekt der mechanischen Struktur des Tores beruhen, beispielsweise einer örtlichen
Deformation einer Gleitschiene oder einer Führungsschiene. Nach einem "Lernvorgang" darf die schwergängige Stelle
(im Unterschied zu einem Hindernis) keine Verlangsamung des Motors verursachen,
wodurch die Bewegung des Tores einen ruckweisen Ablauf annimmt,
was Zweifel an der Qualität
der Antriebsvorrichtung erzeugen würde.
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Es
ist bekannt, dass die Gleichstrommotoren eine befriedigende Charakteristik
von Drehmoment und Geschwindigkeit aufweisen, so dass sie starke Veränderungen
des Drehmomentes aufnehmen können.
Diese Aufnahme von Schwankungen des Drehmoments sind jedoch normalerweise
ohne einen wesentli chen Rückgang
der Geschwindigkeit nicht möglich,
es sei denn, dass der Wandler der elektrischen Speisevorrichtung
dies ermöglicht,
indem er eine mindestens nahezu konstante Speisespannung aufrecht
erhält,
wenn der vom Motor aufgenommene Strom zunimmt.
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Beispielsweise
sollte die Stromversorgung während
der Verriegelung des Tores in der Lage sein, im Verlaufe einiger
Sekunden einen Strom zu liefern, der doppelt so gross ist wie der
Nennstrom der Motorspeisung, und sie sollte während der sehr kurzen Zeit
von wenigen Dutzend Millisekunden beim Übergang über schwergängige Stellen einen Strom liefern,
der vier bis sechs Mal grösser
ist als der Nennstrom.
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Die
Anforderungen an die Stromversorgung des Motors in der Verriegelungsphase
des Tores oder zur Überwindung
von schwergängigen
Stellen führen dazu,
dass die Stromversorgung überdimensioniert wird,
insbesondere jedoch der Transformator, wenn es sich um eine übliche Stromversorgung
handelt, oder man wird dazu veranlasst, die Sicherheitsbauteile
zu umgehen oder zu deaktivieren, wenn es sich um ein Schaltnetzteil
handelt, beispielsweise des Typs "Fly-Back", was jedoch gefährlich sein kann.
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Aus
dem Dokument "MOSFET
switch provides efficient ac/dc conversion", veröffentlicht im Magazin "Design Ideas" (Bd. 2119 vom 17.
Februar 2000), ist eine Vorrichtung bekannt, welche von einer Wechselspannung
gespeist wird und einen Spannungswandler von Wechselspannung auf
Gleichspannung sowie einen Gleichstrommotor aufweist. Der Wandler
enthält
einen Gleichrichter und einen Kondensator, der zwischen die Eingangsklemmen des
Motors geschaltet ist und über
einen Schalter mit der gleichgerichteten Wechselspannung aufgeladen wird,
wobei der Schalter von der gleichgerichteten Wechselspannung über einen
Steuerschaltkreis gesteuert wird.
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Aus
der Patentschrift USA Nr. 6'061'259 ist eine Vorrichtung
zum Speisen einer Last ausgehend von einer Wechselspannung bekannt,
wobei die Vorrichtung einen Varistor, einen Gleichrichter, einen elektronischen
Schalter und einen Kondensator aufweist, der mit den Anschlüssen der
Last verbunden ist. Die jeweilige Zeitdauer des Durchschaltens des elektronischen
Schalters wird aus den Werten der Ausgangsspannung, der jeweiligen
Eingangsspannung und der mittleren Eingangsspannung berechnet. Auf
diese Weise wird die Vorrichtung gegen starke Störungen der Eingangsspannung
geschützt.
Die Vorrichtung ist jedoch nicht in der Lage, hohe Spitzenströme am Ausgang
zu liefern, denn die Stromstärke
ist dazu eingerichtet, sich nur in einem Gebiet zwischen 0 und 50
Milliampere zu bewegen.
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Aus
der Patentanmeldung
EP 1'283'590 ist eine
Vorrichtung zur Speisung einer Last ausgehend von einer Wechselspannung
bekannt, wobei die Vorrichtung einen Gleichrichter und einen an
den Eingangsquellen der Last liegenden Kondensator aufweist, wobei
dieser Kondensator durch die gleichgerichtete Wechselspannung über einen
Schalter aufgeladen wird, welcher von einer Steuerschaltung mit der
Frequenz der gleichgerichteten Wechselspannung gesteuert wird. Wenn
die gleichgerichtete Wechselspannung unter eine Bezugsspannung fällt, wird
der Schalter in seinen Schliesszustand gesteuert, und die Spannung
an den Klemmen der Last steuert den Übergang des Schalters in seinen
offenen Zustand.
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Aus
der Patentanmeldung
DE 33'04'759 ist eine
Vorrichtung mit einem Wechselrichter bekannt, bei der ein Schalter
vorgesehen ist, welcher durch eine elektronische Einheit in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Spannungen gesteuert wird, welche an einem
Gleichrichter abgenommen werden. Die Bezugsspannung, welche die Öffnung des
Schalters veranlasst, liegt oberhalb derjenigen, die das Schliessen
des Schalters zur Folge hat.
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Diese
aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen besitzen keine
Sicherheitsmittel, welche die elektronischen Bauteile der Vorrichtungen vor
einer Beschädigung
schützen,
wenn mehr oder weniger vorübergehende Überlastungen
auftreten, die sich als höhere
Ausgangsstromstärken
manifestieren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Speisung einer Anlage sowie
eine Anlage selbst zur Verfügung
zu stellen, welche die oben beschriebenen Nachteile ausschalten
und eine Verbesserung gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Installationen
erbringen. Insbesondere ermöglicht
die Erfindung, eine Überdimensionierung
der Elemente der Versorgungsvorrichtung zu vermeiden.
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Das
Verfahren zur elektrischen Versorgung gemäss vorliegender Erfindung ist
im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definiert.
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Verschiedene
Ausführungsvarianten
des Verfahrens bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
15.
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Die
erfindungsgemässe
Installation ist im Patentanspruch 16 niedergelegt.
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Die
beigelegte Zeichnung zeigt eine erfindungsgemässe Installation und ein Verfahren,
die Versorgungseinrichtung zu steuern.
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1 ist
ein Schema der erfindungsgemässen
Installation.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Regelung der elektrischen
Versorgung der erfindungsgemässen
Installation.
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Die
Installation 1, welche in 1 dargestellt ist,
soll zur Betätigung
einer Tür
GD eines Gebäudes oder
eines Tores verwendet werden. Die Installation umfasst hauptsächlich eine
Leistungsschaltung 2 und eine Steuerschaltung 3.
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In
der Leistungsschaltung wird die Wechselspannung des Netzes, welche
durch die Phasenleitung P und die Masseleitung N wiedergegeben wird, durch
die Baugruppe REC in Form eines Brückengleichrichters gleichgerichtet.
Die Ausgangsspannung des Gleichrichters gestattet die einseitige
Aufladung eines Kondensator CM über
einen Steuerschalter TR und Mittel IL zur Begrenzung des Ladestromes des
Kondensators CM.
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Der
Steuerschalter TR ist beispielsweise ein MOS-Transistor, dessen höchste Betriebsspannung mindestens
gleich derjenigen des Netzes ist.
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Vorzugsweise
ermöglichen
die Mittel IL die Begrenzung der Stromstärke im Augenblick des Schliessens
des Steuerschalters TR. Diese Mittel können aus einem einfachen Widerstand
oder einem komplizierteren Schaltkreis bestehen, beispielsweise der
Primärwicklung
eines 1:1-Trenntransformators, dessen
Sekundärstrom
nach Gleichrichtung zum Ladestrom des Kondensators CM addiert wird.
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Ein
Gleichstrommotor MOT wird während der
Phasen, in denen er arbeiten soll, mit den Klemmen des Kondensators
CM verbunden. Der Motor treibt das Tor oder die Tür GD über ein Untersetzungsgetriebe
und eine mechanische Verbindung an, die hier nicht dargestellt sind.
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Desgleichen
sind in den Zeichnungen die Schaltung der Umschalter zur Speisung
des Motors MOT in der einen oder der anderen Richtung durch die
Spannung UCM an den Klemmen des Kondensators CM nicht dargestellt,
um die Übersichtlichkeit
der Figuren zu verbessern.
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Der
Steuerschalter TR wird durch die Steuerschaltung 3 betätigt. Diese
Schaltung kann die Programme zum Steuern von der gleichgerichteten Netzspannung
V1, welche gleich nach dem Gleichrichter REC abgenommen wird, und/oder
von der Ausgangsspannung UCM ableiten. Diese Programme können ebenfalls
von der Spannung V2 abhängen,
die zwischen den Strombegrenzungsmitteln IL und dem Steuerschalter
abgenommen wird.
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Die
Schaltung, welche die Sperrung oder die Durchschaltung des Steuerschalters
TR bewirken, sind symbolisch durch ein Flip-Flop RS dargestellt. Der
Ausgang Q dieses Flip-Flops steuert beispielsweise die Gate-Spannung
UG eines Transistors.
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Ein
hoher Pegel, der am Reset-Eingang R anliegt, verursacht einen Niedrigpegel
am Ausgang Q des Flip-Flops, wodurch der Transistor TR gesperrt wird.
Ein hoher Pegel am Eingang S hat einen hohen Pegel am Ausgang Q
des Flip-Flops zur Folge, wodurch der Transistor TR leitend wird.
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Eine
Steuereinheit UC, deren Ausgänge
mit den Eingängen
Set und Reset des Flip-Flops RS verbunden sind, ist nur symbolisch
dargestellt. Diese Steuereinheit erhält mindestens zwei Signale
von den folgenden vier wiedergegebenen Signalen: V1, V2, UCM, Q.
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Die
Steuereinheit UC enthält
mindestens einen Spannungskomperator an den Eingängen CA1, CA2 und CA3 (wobei
eine oder mehrere Bezugsspannungen dazu verwendet werden, die an
ihren Eingangspegeln anliegenden Signale miteinander zu vergleichen).
Die Einheit kann weiterhin eine Zeitmessschaltung aufweisen, welche
durch das Signal Q aktiviert wird, welches an einem Eingang TRIG liegt.
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Verglichen
mit anderen, bekannten Speisevorrichtungen ermöglicht die Verwendung eines
derartigen Wandlers, starke Ströme
mit einer praktisch konstanten Höchstspannung
zu liefern, wobei die Grenze lediglich durch die Eigenschaften des
Steuerschalters und die Kapazität
des Kondensators festgelegt ist. Es ist jedoch bekannt, dass ein
Transistor, welcher als Steuerschalter verwendbar ist, im Vergleich
zum mittleren Strom wiederholt oder gelegentlich stärkere oder
wesentlich stärkere
Stromstärken aushalten
kann.
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Ein
Verfahren zur elektrischen Versorgung der Installation wird nun
unter Bezugnahme auf 2 besprochen.
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Das
Schliessen des Steuerschalters TR, welches im Schritt 11 erfolgt,
wird vorzugsweise hervorgerufen, wenn die gleichgerichtete Netzspannung unter
einen Spannungsschwellenwert VT1 fällt, und das Unterschreiten
dieser Schwelle wird in einem Kontrollschritt 10 ermittelt.
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Auf
gleiche Weise wird ein Ermittlungsschritt 12 ausgeführt, wenn
der Steuerschalter durchgeschaltet ist, um die Ausgangsspannung
UCM (oder V2, da der Steuerschalter TR geschlossen ist) mit einem
Schwellenwert VT2 zu vergleichen. In einem Schritt 14 wird
nun die Öffnung
des Steuerschalters TR veranlasst, sobald die Ausgangsspannung diesen
Schwellenwert VT2 erreicht hat.
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Ein
zusätzlicher
Ermittlungsschritt 13 wird dann vorgenommen, wenn die Ausgangsspannung die
Schwellenspannung VT2 noch nicht erreicht hat. Diese Ermittlung
kann sowohl die Eingangsspannung V1 als auch die Durchschaltdauer
des Steuerschalters betreffen.
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Wenn
das Ergebnis der Ermittlungen negativ ist, läuft das Verfahren zum Schritt 13 oder
zum Schritt 12 weiter (wie es mit dem gestrichelten Pfeil
in 2 dargestellt ist).
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Falls
die Ermittlung der Eintrittsspannung V1 vorgenommen wird, vergleicht
das Verfahren diese Spannung mit einem Schwellenwert VT3, der oberhalb
VT1 liegt. Da der Schwellenwert VT3 grösser ist als der Schwellenwert
VT1, wenn der Transistor TR durchgeschaltet hat, wird akzeptiert,
dass der Strom, der den Steuerschalter durchfliesst, seinen normalen Wert überschreiten
kann, was demjenigen Augenblick entspricht, in dem der Steuerschalter
TR vom offenen in den geschlossenen Zustand umschaltet.
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Wenn
die Ermittlung die Zeitdauer TM betrifft, in welcher der Steuerschalter
TR durchgeschaltet ist, so vergleicht das Verfahren diese Zeitdauer mit
einem Schwellenwert der Zeitdauer TT1, der oberhalb der normalen
Durchschaltdauer TT liegt, wenn der Motor MOT seinen Nennstrom aufnimmt. Da
der Schwellenwert der Zeitdauer TT1 über dem Schwellenwert der Zeitdauer
TT liegt, akzeptiert man, dass der Strom den Nennwert übersteigt.
Die Durchschaltdauer TM wird durch Messung der Aktivationsdauer
des Einganges TRIG der Steuereinheit UC festgestellt.
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Wenn
die Ermittlung an der Eingangsspannung vorgenommen wird und diese
Spannung den Schwellenwert VT3 erreicht hat, ist es klar, dass die Dauer
der Stromleitung die normale Dauer der Stromleitung TT, welche der
Nennstromstärke
des Motors entspricht, ebenfalls überschritten hat.
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Die
Schwellenwerte der Spannung VT3 oder der Dauer der Stromleitung
TT1 sind vorzugsweise dynamisch einstellbar. Diese dynamische Änderung der
Schwellenwerte wird durch den Schritt 15 dargestellt und
wird von der Steuereinheit ausgeführt.
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Bei
der Initialisierung weisen die Schwellenspannung VT3 oder der Schwellenwert
der Dauer TT1 erhöhte
Werte auf, die beispielsweise eine Überstromstärke erlauben, welche dem Fünffachen
des Nennstromes entspricht. Nach der Öffnung des Steuerschalters
TR kann die Schwellenspannung VT3 oder die Schwellendauer TT1 in
einem fakultativen Schritt 15 auf einen niedrigeren Wert
eingestellt werden, der beispielsweise eine Überschreitung der Stromstärke bis
zum Doppelten des Nennstromes ermöglicht. Dabei wird der Steuerschalter
TR durch ein Überschreiten
des Schwellenwertes VT3 der Spannung durch die Eingangsspannung
V1 oder durch ein Überschreiten
des Schwellenwertes der Dauer TT1 durch die Dauer der Stromleitung
TM des Steuerschalters gesteuert. Diese Veränderung kann nach einer fakultativen
Verzögerung
von einigen Millisekunden erfolgen, beispielsweise von 20 Millisekunden.
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Die
Schwellenspannung VT3 oder die Schwellendauer TT1 können wieder
auf den ursprünglichen
hohen Wert eingestellt werden, bei dem eine Überstromstärke vom Fünffachen des Nennstromes möglich ist,
wenn während
einer vorbestimmten Zeitdauer (beispielsweise 3 s), während derer
die Schwellenspannung VT3 oder die Schwellendauer TT1 eine Überstromstärke vom
Doppelten des Nennstromes gestatten, keine Öffnung des Steuerschalters
TR durch das Überschreiten
des Schwellenwertes der Spannung VT3 oder der Schwellendauer TT1 erfolgte.
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Diese
Verminderung der Schwellenspannung VT3 oder der Schwellendauer TT1
ermöglichen es, Überhitzungen
und Zerstörungen
der Bauteile zu vermeiden, insbesondere des Transistors, der die Funktion
des Steuerschalters ausübt.
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Die
Abfolge der beschriebenen Schritte ermöglicht es, die Probleme zu
lösen,
welche die Überlastungen
von kurzer oder auch von längerer
Dauer betreffen.
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Verschiedene
Vorgänge
können
in Betracht gezogen werden, um die Schwellenspannung VT3 oder die
Schwellendauer TT1 zu ändern,
damit man die Probleme der Überhitzung
in den Griff bekommt. Man kann insbesondere vorsehen, dass die Schwellenwerte
mehr als zwei Spannungswerte und mehr als zwei Werte der Einschaltdauer
annehmen können.
Die Kombination dieser Schwellenwerte und ihrer Gültigkeitsdauer
hängt insbesondere
von den thermischen Eigenschaften der Bauteile ab. Man kann ebenfalls
vorsehen, dass die Schwellenspannung VT3 oder der Schwellenwert
der Einschaltdauer TT1 zunächst
eine sehr grosse Stromüberlastung gestatten
und anschliessend unter den Wert der Schwellenspannung VT1 oder
unter den Wert der Schwellendauer sinken, wodurch der Nennstrom wieder
erreicht wird.
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Die
gesamte Steuereinheit oder Teile davon sowie das Äquivalent
des Flip-Flops RS können
in ein Mikrokontroller integriert werden, welcher die Komparatoren
und einen Zeitzähler
(Zeitgeber) enthält.
Der Mikrokontroller kann übrigens
damit beauftragt werden, die von einem Benutzer eingegebenen Befehle
auszuführen.
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Anstelle
der Verwendung der Spannung V1 ist es möglich, als Befehlsparameter
für den
Zustand des Schalters mit Vorteil das Spannungspaar V2 und UG zu
verwenden, wobei die Spannung V2 gleichzeitig die Speisespannung
(wenn der Schalter geöffnet ist)
und die Ausgangsspannung (wenn der Schalter geschlossen ist) wiedergibt.
In diesem Falle werden lediglich die Eingänge CA2 und TRIG der Steuereinheit
verwendet.
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Die
Installation und ihr Verfahren zur Versorgung mit elektrischer Energie
ermöglichen
ausserdem, den Energieverbrauch der Leistungsschaltung zu annullieren,
wenn der Motor nicht läuft.
Dieser Vorteil ist um so wichtiger, als die Normen und die Respektierung
der Umwelt es erfordern, dass der Verbrauch im Ruhezustand der Ausrüstungen
drastisch eingeschränkt
wird.