Funktionsweise eines Nummernschalters in einem Wählscheiben-Telefon Drucken E-Mail
Donnerstag, den 07. November 2019 um 14:49 Uhr

Funktionsweise eines Nummernschalters in einem Wählscheiben-Telefon

Hinter der Wählscheibe eines Wählscheibentelefons befindet sich die kompliziert anmutendende Mechanik des Nummernschalters, der die Wählimpulse erzeugt. Ein Nummernschalter steuert bis zu drei elektrische Kontakte je nach Stellung und Drehrichtung der Wählscheibe. Der nachfolgende Artikel erklärt Schritt für Schritt das Zusammenspiel der Zahnräder, Nocken, Federn, Sperrklinken, der Schlingfederkupplung und des Fliehkraftreglers.

Es gibt verschiedene Konstruktionen der Nummernschalter, die aber alle im Aufbau ähnlich sind. Nachfolgend wird der Nummernschalter am Beispiel des schwedischen Wählscheibentelefons DIALOG erklärt. Für ein besseres Verständnis sollte das unter

Wie funktioniert ein Wählscheiben-Telefon? und

Nummernschalter der Wählscheiben-Telefone prüfen und justieren

beschriebene Wissen bekannt sein.

Nachfolgend wurde zur Erleichterung des Verständnisses der gleiche Sachverhalt mit verschiedenen Formulierungen erklärt. Die meisten Verlinkungen der mechanischen Fachbegriffe führen zu den entsprehenden Wikipedia-Einträgen. Die allermeisten Bilder sind für eine vergrößerte Darstellung anklickbar.


Telefon DIALOG mit Wählscheibe (Fingerlochscheibe) aus den 1960er- bis 1970er-Jahren.

Die Fingerlochscheibe (Wählscheibe): Fangen wir mit der Fingerlochscheibe an. Das ist die umgangssprachlich als Wählscheibe bekannte Scheibe, mit der wir die Ziffern wählen. Wenn wir sie nach links aufziehen, verspüren wir einen Widerstand, weil wir die Rückdrehfeder aufziehen, in der Energie gespeichert ist, damit die Fingerlochscheibe wieder selbständig zurückdreht. Dafür sorgt diese Rückdrehfeder. Außerdem fällt auf, dass die Fingerlochscheibe zwei Endanschläge besitzt. Dadurch lässt sie sich weniger als eine volle Umdrehung verdrehen. Weiterhin fällt auf, dass die Wählscheibe immer mit konstanter Geschwindigkeit zurückdreht.


Upps! Versehentlich herausgefallene Rückdrehfeder nach dem Entfernen der Fingerlochscheibe.

Die Rückdrehfeder als Energiespeicher: Montieren wir beim Telefon DIALOG die Fingerlochscheibe samt Zifferblatt ab, kommt eine kleine Metallkappe zum Vorschein. In ihr befindet sich wie bei einem Uhrwerk eine aufgezogene Spiralfeder. Die Kappe selbst ist auf die Achse der Wählscheibe gesteckt und dreht sich dadurch mit der Wählscheibe. Das äußere Ende der Spiralfeder ist in der Kappe eingehakt. Das innere Ende ist am Gehäuse des Nummernschalters befestigt. Diese Spiralfeder besitzt bereits in Ruhelage der Wählscheibe ein Vorspannung, damit genügend Kraft vorhanden ist die Wählscheibe bis in die Ruhelage zurückzudrehen. Drehen wir die Wählscheibe auf, wozu wir spürbar Kraft aufwenden müssen, zieht sich die Spiralfeder weiter zusammen und gibt die gespeicherte Energie beim Zurückdrehen wieder ab, da sie sich entspannt.


Aufgewickelte Rückdrehfeder in ihrem Gehäuse, das sich mit der Fingerlochscheibe durch eine starre Verbindung mitdreht. Das innere Ende der Spiralfeder ist in das Gehäuse des Nummernschalters einzuhaken. Dafür existiert eine entsprechende Nut.

Die Nockenscheibe steuert die Kontakte nsa und nsr: Über eine Achse fest verbunden befindet sich hinter der Fingerlochscheibe im Nummernschalter ein großes Zahnrad, das sich Nockenscheibe nennt, weil es einen einzigen Nocken besitzt, der zwei elektrische Kontakte (nsa und nsr) über Blattfedern bewegt. Aber dazu später.

Zudem besitzt dieses Zahnrad zwei Endanschläge, damit sich die Fingerlochscheibe weniger als eine volle Umdrehung verdrehen lässt, damit die Mechanik des Nummernschaltes keine Beschädigungen erfährt.

Der Fingeranschlag auf der Vorderseite der Fingerlochscheibe hat damit nichts zu tun. Dieser Anschlag sorgt nur dafür, dass wir je nach gewählter Ziffer die Wählscheibe um einen definierten Winkel verdrehen, um eine bestimmte Anzahl von Wählimpulsen zu erzeugen. In Deutschland und den meisten Ländern der Welt bedeutet ein Wählimpuls eine 1, zwei Wählimpulse eine 2 u.s.w.. Beim Wählen der Null erzeugt der Nummernschalter 10 Wählimpulse.

Die schwedischen Telefone haben eine abweichend aufgedruckte Ziffernreihenfolge (0123456789 statt üblicherweise 1234567890). Diese Telefone werden auch für den amerikanischen Markt vertrieben und erhalten dafür ein Zifferblatt mit einer Beschriftung, die den deutschen und amerikanischen Telefonen entspricht. Ein Einfluss auf die Mechanik besteht dadurch nicht.


Draufsicht auf den geöffneten Nummernschalter. In der Mitte ganz unten befindet sich ein großes Zahnrad, genannt Nockenscheibe, dessen Achse starr mit der Fingerlochscheibe verbunden ist. Im Verlauf des Aufsatzes werden wir das Zusammenspiel der einzelnen Bauteile verstehen lernen.


Nach dem Ausbau von Teilen (insbesondere der Schlingfederkupplung) ist die zentral angebrachte graue Nockenscheibe aus Kunststoff bei dieser neueren Version eines Nummernschalters mit Kunststoffrädern besser zu erkennen. Diese Nockenscheibe ist über eine Achse fest mit der Fingerlochscheibe verbunden. Rechts im Bild ist der Fliehraftregler zu erkennen.

 


Seitenansicht der Nockenscheibe. Die Wählscheibe befindet sich in Ruhestellung und der Schleifer sitzt auf dem Nocken. Dadurch schließt er den nsr und öffnet den nsa.

Betrachten wir das obige Foto. Es zeigt von der Seite betrachtet die Nockenscheibe, wenn sich die Fingerlochscheibe in ihrer Ruheposition befindet. Der Schleifer aus Blech befindet sich in dieser Stellung auf dem einzigen Nocken, der über Blattfedern den unteren elektrischen Kontakt öffnet und den oberen Kontakt schließt. 

Der untere Kontakt ist der nsa. Der nsa ist in der Ruheposition der Fingerlochscheibe immer offen. Dadurch ist der Schaltungsteil mit der Sprechkapsel und der Hörkapsel nicht kurgeschlossen, damit ein Telefongespräch überhaupt möglich ist.

Der obere Kontakt ist der nsr. Der nsr ist auf den letzten Milimetern beim Zurückfahren der Wählscheibe und in der Ruheposition immer geschlossen. Der nsr befindet sich parallel zum nsi, welcher die eigentlichen Wählimpulse erzeugt. Der geschlossene nsr sorgt bei dieser Konstruktion dafür, dass der letzte Impuls durch das Öffnen des nsi beim Zurückfahren der Wählscheibe unterdrückt wird. Dadurch entsteht eine Zwangspause zwischen den Ziffern, falls jemand zu schnell hintereinander die Ziffern wählt. Ohne diese Zwangspause könnte z.B. das Wählen einer 3 und dann sogleich einer 2 vom Wählamt als 5 interpretiert werden. Die Nummernschalter der ersten Generation kannten noch keinen nsr-Kontakt und verlangten entsprechend mehr Disziplin und Ruhe beim Wählen mit den Fingern.


Die Wählscheibe befindet sich außerhalb ihrer Ruhestellung. Entweder wird sie gerade aufgezogen oder sie läuft zurück. Der Schleifer befindet sich nicht auf dem Nocken. Deshalb ist der nsr offen und der nsa ist geschlossen.

Betrachten wir wieder das obige Bild. Jetzt befindet sich die Wählscheibe außerhalb der Ruhestellung, also beim Aufziehen oder Zurückdrehen der Wählscheibe. Der Schleifer befindet sich nicht mehr auf dem Nocken.

Der nsa (der untere der beiden Kontakte) ist jetzt geschlossen. Dadurch kann der Schleifenstrom vom Amt ungehindert durch den nsa fließen, um vom nsi pulsierend unterbrochen zu werden, um unverfälschte Wählimpulse zu erzeugen.

Der nsr (links oben im Bild) ist offen. Er ist parallel zum nsi verdrahtet. Da der nsr offen ist, kann der nsi durch sein Öffnen und Schließen die Wählimpulse erzeugen, während die Wählscheibe zurückläuft.

Damit wäre die Funktion des Nockens auf der Nockenscheibe, welcher den nsr und nsa schaltet, erklärt. Allerdings ist noch nicht klar, wie die Wählscheibe mit konstanter Geschwindigkeit zurückdreht, um die Wählimpulse zu erzeugen und wie diese Wählimpulse erzeugt werden. Die Erklärung erfolgt nachfolgend.

Der Fliekraftregler: Der Fliehkraftregler sorgt dafür, dass sich die Wählscheibe mit konstanter Geschwindigkeit unabhängig von der Federspannung der Rückdrehfeder zurückdreht, damit beim Zurückdrehen die Wählimpulse mit einer möglichst konstanten und vorgeschriebenen Frequenz entstehen.


Im Vordergrund der Fliehkraftregler, welcher drehbar in seiner Bremsrtrommel gelagert ist. Die Schlingfederkupplung für die Kraftübertragung zwischen dem Fliehkraftregler und der Nockenscheibe ist ausgebaut. Dazu später mehr.


Die leere Bremstrommel nach dem Ausbau der Fliehkraftreglermechanik. Dies ist die passende Gelegenheit die Trommel mit Bremsenreiniger und Wattestäbchen zu reinigen und zu entfetten. Die Bremstrommel ist fest mit dem Gehäuse des Nummernschalters verbunden.

Der Fliehkraftregler besteht aus zwei Gewichten, die durch die Fliehkraft gegen eine Bremstrommel drücken. Je höher die Drehzahl, desto höher die Fliehkraft und desto höher die Reibung, welche die Drehzahl wieder abbremsen. Durch diesen Regelkreis entsteht eine weitgehend konstante Geschwindigkeit. Die Fliehkraft der Gewichte benötigt noch eine Gegenkraft, die durch zwei kleine Federn erzeugt wird und die Gewichte nach innen drücken. Die Vorspannung dieser Schraubenzugfedern lässt sich durch Verdrehen eines kleines Blechs einstellen. Je stärker die Zugkraft der Federn ist, desto geringer ist die Bremskraft und desto schneller läuft der Fliehkraftregler. Dadurch lässt sich die korrekte Geschwindigkeit des Nummernschalters einstellen. Im Idealfall sollte ein Impuls 10 ms dauern. Der zulässige Toleranzbereich liegt zwischen 9 und 11 ms.


Der Ausgebaute Fliehkraftregler: Zwei Federn (Schraubenzugfedern) mit einstellbarer Zugspannung drücken die beiden Gewichte nach innen. Nach dem Lösen der Flachkopfschraube lässt sich das kupferfarbene Blech verdrehen, um die Geschwindigkeit zu justieren.


Die Rückseite des Fliehkraftregler.
 

Die Schlingfederkupplung als Freilaufkupplung: Der Fliehkraftregler soll nur beim selbstständigen Zurückdrehen der Fingerlochscheibe zum Einsatz kommen. Würde die Fliehkraftregelung auch beim Aufziehen zum Einsatz kommen, würde dies die Bedienung erschweren und behindern. Zudem bestünde die Gefahr durch gewaltsames und hastiges Aufziehen die Zahnräder zu beschäden.


Ausgebaute Schlingfederkupplung. Das obere Ritzel greift in die Nockenscheibe. Die Kraftübertragung von diesem Ritzel zum großen Zahnrad erfolgt über die Schlingfederkupplung in nur einer Drehrichtung. Das große Zahnrad greift in das Ritzel des Fliehkraftreglers ein. Dadurch kommt die Fliehkraftregelung nur beim Zurückdrehen der Wählscheibe zum Einsatz.

Deshalb befindet sich zwischen der Nockenscheibe und der Fliehkraftkupplung eine Schlingfederkupplung, die eine schlüssige Kraftübertragung in nur eine Drehrichtung erlaubt. In der anderen Drehrichtung besteht  ein ausgeprägter Schlupf (Durchrutschen). Das Funktionisprinzip besteht aus einer Schraubenfeder, die um eine Achse gewickelt ist. In der einen Drehrichtung zieht sich die Schraubenfeder zusammen und bildet eine feste rutschfeste Verbindung durch Verklemmen. In der anderen Drehrichtung weitet sich die Schraubenfeder und es tritt ein Durchrutschen auf. Diese Schlingfederkupplung überträgt die Kraft von der Nockenscheibe zum Fliehkraftregler während des Zurückdrehens der Wählscheibe.

Das Stoßstromrad: Das Stoßstromrad, auch Impulsscheibe genannt, hat je nach Drehrichtung und Position der Wählscheibe mehrere Aufgaben zu erfüllen, die einzig dazu dienen, den nsi-Kontakt zu schließen oder zu öffnen. Das pulsierende Unterbrechen des nsi-Kontakts erzeugt die Wählimpulse.

Der nsi-Kontakt ist normalerweise durch zwei Blattfedern zusammengedrückt und somit geschlossen. Die Nocken des rotierenden Stoßstromrades fahren zwischen die Kontakte und öffnen auf diese Weise den nsi-Kontakt kurzzeitig auf eine pulsierende Weise. Die Abmessungen des Stromstoßrades und seine Nocken defineren das zeitliche Verhältnis zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand des nsi-Kontakts.


Das Stromstoßrad mit seinen drei flügelartigen Nocken, die den nsi-Kontakt öffnen und schließen. Wird die Wählscheibe aufgezogen, möchte sich das Stoßstromrad im Uhrzeigersinn drehen. Ein Kunststoffhaken dient als Sperrklinke und verhindert jedoch das Verdrehen und verhakt sich in der Aussparung des oberen Blechbügels. Diese Aussparung stellt das Sperrstück dar, das zusammen mit der  Sperrklinke ein Zahnrichtgesperre bildet. Dadurch bleibt das Stoßstromrad in einer bestimmten Position eingerastet, so dass der nsi-Kontakt auf jeden Fall geschlossen bleibt. Gegen den Uhrzeigersinn kann sich das Stoßstromrad frei drehen und die Wählimpulse erzeugen.


Vergrößerte Darstellung des Stromstoßrades mit seiner Sperrklinke, die in der Aussparung des oberen Bleches eingerastet ist. Darunter der geschlossene nsi-Kontakt.

Das Stromstoßrad darf sich nur beim Zurückdrehen der Wählscheibe drehen, um die Wählimpulse zu erzeugen. Beim Aufziehen der Wählscheibe und in ihrer Ruhelage muss der nsi-Kontakt geschlossen bleiben. Die Mechanik muss deshalb so konstruiert sein, dass sowohl beim Aufziehen als auch in der Ruhelage die Nocken des Stromstoßrades den nsi-Kontakt nicht berühren. Beim Zurückdrehen der Wählscheibe muss sich das Stromstoßrad allerdings mitdrehen können. Damit diese Forderungen erfüllt sind, besitzt das Stoßstromrad auf beiden Seiten federnde Haken, die sich jeweils bei entgegengesetzten Drehrichtungen verhaken. Im Prinzip sind also auf der Unter- und Oberseite für entgegengesetzte Drehrichtungen jeweils eine Sperrklinke eines Sperrklinkenfreilaufs angebracht. Umgangssprachlich ausgedrückt befindet sich das Stromsperrrad zwischen zwei Ratschen. Tatsächlich ist auch ein ratschendes Geräusch oder Rattern beim Drehen der Wählscheibe zu hören.

Die Sperrklinke auf der Unterseite des Stromstoßrades sorgt dafür, dass sich das Stromstoßrad nur beim Zurücklaufen der Wählscheibe drehen kann.

Die Sperrklinke auf der Oberseite des Stromstoßrades sorgt dafür, dass in Ruhelage der Wählscheibe und beim Aufziehen der Wählscheibe der nsi-Kontakt geschlossen bleibt. Sollte dies nach dem Einbau der Schlingfederkupplung nicht der Fall sein, ist ihr Ritzel zu verdrehen und erneut einzustecken.

Die weiteren Ausführungen erfolgen mit den nachfolgenden kommentierten Bildern.


Das Stoßstromrad mit seinen drei Nocken. Auf der Ober- und Unterseite befindet sich jeweils ein federnder Haken (Sperrklinke) als Bestandteil zweier Zahnrichtgesperre für entgegengesetzte Drehrichtungen.


Rechts im Bild eine Stoßstromrad älterer Bauart. Die Sperrklinken sind als Blattfedern aus Metall aufgenietet.


Das große Kunststoffzahnrad liefert über eine Schlingfederkupplung den Antrieb für den Fliehkraftregler. Das kleine Sperrrad darüber gehört nicht zur Schlingfederkupplung. Dieses metallische Sperrrad ist über eine Achse direkt mit jenem Ritzel verbunden, das in diejenige Nockenscheibe greift, die fest mit der Wählscheibe verbunden ist.


Eine ältere Ausführung. Auf die obere Achse ist das Stromstoßrad zu stecken, dessen untere Sperrklinke zwischen die Nocken des Sperrrades greift, wodurch eine Kraftübertragung zum Stromstoßrad nur entgegen des Uhrzeigersinns möglich ist, also beim Zurückdrehen der Wählscheibe.


Das Stromstoßrad ist auf die Achse des Sperrrades gesteckt.

 


Hier ist das Stromstoßrad auf der Nockenscheibe aus Metall montiert. Dreht die Wählscheibe zurück, kann sich das Stromstoßrad entgegen des Uhrzeigersinns drehen, weil die federnde Sperrklinke auf der Unterseite sich in das kleine Sperrrad aus Metall verhakt.


Seitenansicht. Das untere Ritzel ist über die Schlingfederkupplung mit dem großen Zahnrad aus Pressstoff verbunden. Dieses Gebilde enthält also eine Schlingfederkupplung und zwei Sperrklinkenfreiläufe.

Zur obigen Seitenansicht: Das kleine Ritzel ist gleichzeitig über eine Metallachse fest mit dem "dreiflügligen" Sperrrad aus Metall verbunden. Darauf ist das Stromstoßrad aufgesteckt. Es hat auf der Unterseite eine federnde Sperrklinke, die nur eine Kraftübertragung entgegen des Uhrzeigersinns erlaubt. Das ist der Fall, wenn die Wählscheibe zurückdreht. Die als Haken ausgeformte Sperrklinke ist zwischen den beiden Nocken des Sperrrades erkennbar.

Wird die Wählscheibe aufgezogen, greift der untere Haken (die Sperrklinke) des Stromstoßrades nicht und gleitet  ratternd über das Sperrrad. Der obere Haken des Stromstoßrades fixiert allerdings das Stromstoßrad in einer klar definierten Position, bei der der nsi-Kontakt geschlossen bleibt. Er bleibt auch in der Ruhelage der Wählscheibe geschlossen.


Zum Abschluss nochmals die Gesamtansicht des geöffneten Nummernschalters. Das Zusammenspiel der einzelnen Bauteile ist hoffentlich nun im Detail vertraut.

Zusammenfassung: Eine als Aufzugsfeder bezeichnete Spiralfeder ist an der Achse der Wählscheibe befestigt, damit die Wählscheibe selbständig zurückdrehen kann. Die mit der Wählscheibe verbundene Achse treibt die Nockenscheibe an, die einen Nocken zur Steuerung des nsa und nsr besitzt. Die Nockenscheibe treibt außerdem ein Ritzel an, das über eine Schlingschraubenkupplung beim Zurückdrehen der Wählscheibe einen Fliehkraftkregler antreibt. Dadurch drehen die Wählscheibe und die Nockenscheibe mit konstanter Geschwindigkeit zurück. Über das von der Nockenscheibe angetriebene Ritzel wird desweiteren mittels einer Achse ein Zahnrichtgesperre angetrieben, das beim Zurückdrehen der Wählscheibe das Stromstoßrad antreibt, um mit Hilfe des nsi-Kontaktes über drei Nocken die Wählimpulse zu erzeugen. Diese Impulse haben dank der Fliehkraftregelung eine relativ konstante Frequenz. Beim Aufziehen und in der Ruhelage der Wählscheibe verhindert ein weiteres Zahnrichtgesperre am Stromstoßrad für die entgegengesetze Drehrichtung ein Verdrehen, wodurch das Stromstoßrad in einer bestimmten Position verharrt und der nsi geschlossen bleibt.

Im Grunde ist das mechanische Zusammenspiel in einem Nummernschalter im Vergleich zu einem mechanischen Uhrwerk überschaubar.

 

 

Zuletzt aktualisiert am Freitag, den 08. November 2019 um 15:49 Uhr
 

3. Februar 2017

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