DE1463453A1

DE1463453A1 - Elektrisches Steuersystem

Info

Publication number: DE1463453A1
Application number: DE19641463453
Authority: DE
Inventors: Van Ness Bradford Opie; Bargen David Walter
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1963-08-15
Filing date: 1964-08-12
Publication date: 1970-02-26
Also published as: US3263158A; GB1039825A; BE651541A; NL6409031A

Description

rAflNTANMMU 1

HELMUT QOKXt

• Frank lud am Mein 70
Abachrift/βο· Μ*·*«*»»*, v-uttt»» 27.7.1964

GsLa/go· MOTOROLA, Ine·· Franklin Perk, III. (U.S.A.)

Blektrieche· Steuereyetea.

Di· vorliegend· Brfindung betrifft elektrische Steuerayat ma· für elektrische. Gerttte, insbesondere ein verbeaaertea Sehutsayateai but Verwendung in Verbindung pit Heialeitern ait poeitiveai Teajperaturkoeffislenten »ue Absehe.Iten eine» llektro^ Motors, wenn die Temperatur der Motorwieklungen ein· vorb·· •tIhm te Höohataohwelle überateigt.

Ba iat bekannt, Steuerschaltung·^ für Blektroaiotoren Und dergleichen vorsuaehen, uai die Motor·« vor den Auswirkung·» «iner Über hit sung su eehUtsen. Solche bekannten Systeae haben g·-* wohnlich thersiische überlaatreleie, deren jedes wiederus} gewöhnlich «in teeiperatureaipfindliches tleaent aufweist« «twa •in Bisietalleles)«nt, das direkt oder indirekt von deai in den Wicklungen des rna schUts«nden Motors fliesenden elektrischen StroM geheist wird.

Die vorstehend kurs beschriebenen bekannten theraieehen Sehuts-•ysteeie arbeiten nieht Tttlllg s«MTri«d«nst«llend₍ v*r all·« d··*' wegen, weil dl· Teaperatureharakterietik des Relais nieht d«rj·^ nig«n der au s«hi|ts«md·* Ma««hia· *ntsprechen. ' '

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Vegan der voratehend erwähnten Unzulänglichkeiten d«r theraiech ansprechenden Relais von Motorschutzsysteaen sind ander· teaperatureapfindliche Schutzschaltungen entwickelt word·«· Die·;· sprechen direkt auf die von den Wicklungen de« zu schützenden Motors erzeugte Hitze an und aachen die Motorwicklungen stroalos« sobald deren Teaiperatur einen vorbestiawüten zaläasigen Höchstwert überschreitet. Daher sind dies« Einrichtungen den anderen vorzuziehen»

line verbesserte Art dieser letzteren bekannten Einrichtungen ist auf industrieller Basis verwandbar geaacht word·« durch Vorsehen eines verhältnismäßig billigen Theraowideretandea ait positiv·«] Tesiperaturkoeffizienten· Dieser Thersiowideretand erhöht seinen Widerstand nur geringfügig bei Tseparaturanatlagen innerhalb des für Wicklungen von Elektromotor·« normalen Bereiches« wenn der Motor also unter norsalen Bedingungen läuft· Jedoch wirkt er ala Schalter und eein Widerstand nimmt beträchtlich zu, wenn die Temperatur der Motorwicklungen ao hoch wird« daß ein fehlerhaftes Arbeiten angezeigt wird·

Die vorliegende Erfindung sieht eine Steuerschaltung in Festkörperbauweise, insbesondere zur Anwendung in Motorsehutzsysteaen der in Rede stehenden Art in Verbindung «it Thermowlderständen alt positivea Teaperaturkoeffizienten vor. Daher wird die erfindungsgemäße Steuerschaltung in ihrer Anwendung auf

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diesem Gebiet beschrieben« obgleich sie, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung deutlich wird, zur Steuerung bzw. zum Schutz von elektrischen Einrichtungen ganz allgemein anwandbar ist und zum Ansprechen auf eine große Anzahl verschiedener Abfühlgeräte, die keine auf Temperatur reagierenden Elemente sind, ausgebildet werden kann.

Demgemäß ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung einer verbesserten Steuerschaltung, die durch Reaktion auf Schwankungen der Impedanz eines an einen Stromkreis gekoppelten Abflihlwandlers den durch den Stromkreis fließenden Strom steuert·

Weitere Ziele sind eine thermische Schutz- und/oder Steuerschaltung für Elektromotoren und dergleichen, die auf eine Widerstandszunähme eines thermisch ansprechenden Elementes, beispielsweise eines Thermowiderstandes mit positivem Temperaturkoeffizient en, reagiert und eine gewünschte Steuerwirkung hat ι eine Stauerpehaltung der in Rede stehenden Art, dia mit Festkörperelementen arbeitet, ao daß die Notwendigkeit« Teile oder Kontakte mechanisch zu bewegen, vermieden istj eine Steuerschaltung der in Rede stehenden Art, die verhältnismäßig große Last auf kleine Eingangesignale hin steuert{ eine Steuerschaltung in Featkörperbauweise, daran FestkÖrperelemant völlig von dar Leitungaspannung isoliert ist, ao daß ein verhältnismäßig billiges Niedrigspannunga-Festkörperelement bat yr-

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hältnismäßig hoher Leitungsspannung verwendet werden kann) eine Featkörper-Steuerschaltung, deren AbfUhl- und Steuerschaltungen und sämtliche aktiven Festkörpereinheiten mit verhältnismäßig niedrigen Spannungen betrieben werden können} eine Schutz- und/oder Steuerschaltung der in Rede stehenden Art, die eine elektronische "Hysteresis" in Form eines erwünschten Unterschiedes zwischen ihrer Ausschalt- und Einschaltlage zeigt, wodurch ein Schwingen des Schalters und andere unerwünschte Wirkungen vermieden werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Darstellungen

von AusfUhrungsbeispielen sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigtt

Fig. 1 teilweise im Blockschaltbild die Art, in der mittels

der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ein Dreiphaaen-

Elektromotor geschützt werden kann,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines Schaltdiagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Schalt- und Grundprinzipien, auf denen sie beruht, und

Fig. 3 «in Schaltdiagramm eines AusfUhrungsform der erfiödungsgemäßen Steuerschaltung.

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Obwohl die erfindungegemaße Steuerschaltung Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung als Schutz für einen Elektromotor beschrieben let, hat ei· einen weiten Anwendungsbereich. Im Prinzip spricht sie auf eine Widerstandszunähme an und bewirkt eine Abnahme de· Stromflusses von einer Quelle zu einem gesteuerten Element. Jedoch wird im weiteren Verlauf der Beschreibung deutlich, daß die Schaltung so ausgebildet werden kann, daß sie zum Bewirken dieses Vorgange· auch auf «ine Widerstandsabnahme reagieren kann· Ferner kann die erfindungsgemäße Steuerschaltung nicht nur sum Steuern ein·· einem Elektromotor zugeordneten Schaltachuta, wie im vorliegenden Text beschrieben, sondern auch zum unmittelbaren Steuern de· Motor· oder zum Steuern irgendeiner anderen elektrischen Einrichtung verwendet werden·

In Pig· 1 ist die erfindungsgemäße Steuerschaltung als Motor-•chutsschaltung,10 bezeichnet. Sie hat zwei EingangaanaohlU··· L und L-, die an eine Wechseletromquelle angeschlossen werden können, die das von der Schutzschaltung gesteuerte Gerät mit Energie versorgt·

Die Schutzschaltung 10 hat ferner zwei Ausgangsanachlü··· T₁ und T^. Bei der dargestellten Aueführungeform sind die·· an die Betätigungaapule M eine· Schütze« 12 angeschlossen. Dieser liegt hier in einer Dreiphasenleitung und hat drei normalerweise offene Kontakte M., M_ und M ·

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Beim normalen Betrieb wird die Spule M des Schaltschützes erregt und hält die drei Kontakte M., M und M geschlossen. Die Dreiphasenleitung versorgt einen üblichen Dreiphasennotor Xk mit Strom. Der Motor ist solange unter Strom, wie die Kontakte M , M und M geschlossen sind. Gemäß der scheaatischen Darstellung hat er übliche sterngeschaltete Feldwicklungen l4a, Xkh und

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung sind zwei Thermowiderstande l6 und l8 mit positivem Temperaturkoeffizienten in zwei der Feldwicklungen Xkb und Xkc des Motors Xk eingebettet. Sie sind in Reih· geschaltet, und zusammen an Steueranschlüssc X. und X der Motorschutzschaltung 10 angeschlossen.

Di· Thermowiderstande l6 und l8 können auch an anderen Stellen des Motors Xk angeordnet werden, und es können auch mehr oder weniger als zwei vorhanden sein. Zweck der Thermowiderstände ist, auf einen abnormen Temperaturanstieg des Motors mit einer wesentlichen Widerstandszunahme zu reagieren und so eine Schutzwirkung der Schutzschaltung 10 auszuüben. Dadurch wird die Wicklung M des Schützes stromlos, und die Kontakte M , M und M. öffnen sich.

Wi· vorstehend gesagt, macht die ausschnitteweise Darstellung der Schaltung in Fig. 2 die Grundprinzipien der erfindungs-

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genäßen Schaltung 10 deutlich· Vie nachstehend in Zusammenhang nit Tig·3 beschrieben, hat die Schaltung 10 einen Festkorper-Schalter, wie beispielsweise einen gesteuerten Silislumgleichrichter 20. Dieser hat die übliche Anode, Kathode und Steuerelektrode· In der Praxis der vorliegenden Erfindung 1st der gesteuerte Siliciumgleichrichter 20 normalerweise leitend· Tritt dann ein abnormer Zustand ein« wie beispielsweise ein Temperaturanstieg, so wird er nichtleitend.

Die erfindungegemäße Steuerschaltung kann als swel in einer Richtung geschaltete Spannungequellen 22 und 24 aufweisend aufgefaßt werden (Pig· 2)· Der negative Anschluß der Quelle 22 ist mit dem positiven Anschluß der Quelle 24 verbunden·'Tatsächlich liefern diese Quellen 28 und 24, wie aus der Beschreibung dieser Schaltung (Fig. 3) hervorgeht, eine von Gleichrichterdioden stammende ungesiebte pulsierende Gleichspannung·

Der negative Anschluß der Quelle 2% ist mit der Steuerelektrode des Gleichrichters 20 über «inen Abgleichwideretand R ' verbunden· Der positive Anschluß der Quelle 24 und der negative Anschluß der Quelle 22 aind mit der Kathode des Gleichrichters 20 verbunden« Bin in Pig. 2 mit 26 beeeichneter Thermowiderstand mit positivem Temperaturkoeffislenten, der jedoch auch

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durch die in Reihe gesehalteteii Thermowlderstände l6 und 18

gemäß Fig. 1 ersetzt werden kann, verbindet den positiven Anschluß der Quelle 22 mit der Steuerelektrode des Gleichrichters 20·

Unter normalen Betriebsbedingungen ist der Widerstand des Thermowideretandee 26 verhältnismäßig niedrig im Vergleich zum Widerstand R., so daß positives Potential der Quelle 22 an die Steuerelektrode des Gleichrichters 20 angelegt wird. 1st der Wert des Abgleichwiderstandes R₁ etwas höher als der Widerstand

R des Thermowiderstandes, und der gesteuerte Silizium-Gleich-

richter leitet.

Nimmt jedoch der Widerstand des Theroiowiderstandes 26 infolge eines abnormen Temperaturanstiegs in dem geschützten Gerät erheblich zu, so wird die Vorspannung der Steuerelektrode des Gleichrichters 20 negativ, so daß dieser abgeschaltet ist.

Eine Ausführungeform der erfindungegemäßen Steuerschaltung ist in Pig· 3 dargestellt. Ein wesentliches Kennzeichen ist hier, daß der Gleichrichter 20 von der Leitung völlig isoliert ist· Dies bedeutet, daß billige Silizium-Gleichrichter oder gleichwertige Schaltyorrichtungen mit verhältnismäßig niedriger Betriebsspannung bei verhältnismäßig hoher Leitung·spannung verwendet werden können.

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Bin weiter·· Kennzeichen der Schaltung geaäfl Fig· 1 iat die Tatsache ihrer elektronischen "Hysteresis". Das heißt, die Schaltung benötigt einen niedrigeren Widerstand zu« Ansprechen und Ausschalten ala sun Wiedereinschalten. Daait ergibt sich ein Unterschied «wischen der Bin- und Aus-Stellung des Systems, wodurch ein Schwingen des Motorachalters und andere unerwünschte Erscheinungen veraieden werden·

Wie oben beschrieben, hat auch die Schutsschaltung 10 geaMA Pig. 3 swei BingangaanachlUsse L. und L_ und swei AuagangaanachlUaae T. und T-· Öle BingangaanschlUsse L. und L. sind alt einer geeigneten Spannungsquelle, beispielsweise Netsapannung, verbunden· Die AuagangaanachlUaae T₁ und T₂ können beiapielaweiae alt der Spule M dea MotoraohUtsea 12 der Pig· I verbunden sein.

Die Schaltung geaMfi Pig. 3 hat einen eraten Transforaator 50, deaaen PriaMrwioklung 50a alt den BingangaanachlUaaea L_t und L-verbunden iat und ao von der Weehaelstroaquelle geapeiat wird· Ferner hat die Sehaltung einen mweiten Tranaforaator 52» dea« aen PriaMrviokluag 53* in Reihe in der Leitung swiaehea de* ■ingangsanaehlttasen L₁, L. und den AusgangsanaohlUaaen Tk «ad

T₃ liegt. ; . .. ■. .·■ ■ ■;.".;/ ■ -. y?:_;:^%

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Vie nachstehend beschrieben, hat die Primärwicklung 52a des Transformators 52 unter normalen Betriebsbedingungen eine verhältnismäßig niedrige Impedanz. Dies bedeutet, daß der Spule M des Schützes 12 der Fig. 1 genügend Strom zufließt, so daß seine Kontakte M₁ M₁ M geschlossen bleiben. Tritt jedoch in dem geschützten Gerät ein abnormer Temperaturanstieg ein, so nimmt die Impedanz der Primärwicklung 52a des Transformator* 52 infolge der Abschaltung des gesteuerten Gleichrichters 20 au, wie noch näher erläutert wird, so daß der Strom in der Spule M nicht ausreicht, um die Unterbrechungskontakte geschlossen zu halten und die Schaltung in ihr« Aus-Stellung fällt. Dies hält solange an, bis der abnorme Temperaturanstieg verschwunden ist.

Infolge des oben erwähnten elektronischen Hysteresis-Iffektes entsteht eine Verzögerung zwischen der Aus- und der Ein-Stellung der Schaltung. Das bedeutet, daß die abnorm hohe Temperatur, die den anfänglichen Zustand herbeiführte, merklich verringert werden muß, bevor die Schaltung wieder in die Einstellung kommt und den Schütz einschaltet.

Der Transformator 50 hat eine Sekundärwicklung 30b· Die Anoden zweier Diodengleiehriehter 5% und 56 sind alt entsprechenden Enden der Sekundärwieklung des Transformators 50 verbunden. Dft* Kathoden der Dioden 5% und 56 sind beide mit dem St euer-

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anachluß X₁ verbunden. Der andere Steueranschluß X iat mit den Abgleichwideretand R₁ und der Steuerelektrode des gesteuerten Silizium-Gleichrichters 20 verbunden.

Der Transformator 52 hat eine erste Sekundärwicklung 52b und eine zweite Sekundärwicklung 52c· Der Abgleichwideretand R₁ ist Mit eine« Mittelabgriff der Sekundärwicklung 52b verbunden· Die Anoden zweier Dioden 58 und 60 sind mit den Enden der Sekundärwicklung 52b verbunden, während die Kathoden dieser Dioden mit den Enden der Sekundärwicklung 50b verbunden sind.

Ein Mittelabgriff der Sekundärwicklung 50b ist mit den Anoden zweier Biodengleichrichter 62 und 6k und der Kathode des gesteuerten Silizium-Gleichrichters 20 verbunden. Dieser letztere Anschluß kann, wie dargestellt, geerdet sein. Jedoch kann das Steuersystem, wenn gewünscht, auch ungeerdet sein. Die Kathoden der Diodengleichrichter 62 und 6k sind mit den entsprechenden Enden der Sekundärwicklung 52c verbunden, und die Anode des gesteuerten Gleichrichters 20 1st mit einem Mittelabgriff der Wicklung verbunden.

Wie nachstehend beschrieben, wirkt der Transformator 52 als veränderliche Impedanz. Ein Transformator mit niedrigen Verlusten und enger Kopplung zwischen der Primärwicklung 52a und der Sekundärwicklung 52c iat für diesen Zweck geeignet.

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Unter normalen Bedingungen ist der gesteuerte Gleichrichter leitend, so daß er abwechselnd die Hälften der Sekundärwicklung 52c kurzschließt entsprechend der durch den Primärstron induzierten Sekundärspannung· Das bedeutet, daß die Impedanz der Primärwicklung 52a verhältnismäßig niedrig ist, so daß der Spule M des Schützes 12 der Fig. 1 ausreichender Strom zufließt, um die Kontakte zu schließen.

Tritt jedoch ein abnormer Zustand ein, so sperrt der gesteuerte Silizium-Gleichrichter 20 und die Impedanz der Primärwicklung 52a steigt merklich. In diesem Falle ist der Stromfluß rom den lingangaanschlussen L und L der Schaltung 10 su den AusgangaanschlUssen T. und T durch die Spule M zu gering, um die Eontakt· des Schützes geschlossen zu halten.

0er Silisium-Gleichrichter 20 wird beispielsweise von den Tharaowiderständen 16 und l8 gesteuert, die in Reihe über dl· AjUMhlUsee X und X geschaltet sind, und deren Widerstand ■It R bezeichnet ist. Solange der Wideretand R dieser Thermowiderstand· gegenüber dem Wideretand R verhältnismäßig niedrig ist, wird eine positive Vorspannung von der Sekundärwicklung 50b, die aus den Diodengleichrichtern 5k und 56 und d«m Widerstand Β_χ der Thermowiderstände gebildete Hälft· der BrüakeaMhaltung an die Steuerelektrode das Gleichrichters 20 aagalegt, ao daß dieser leitend bleibt.

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Die von den im vorstehenden Absatz erwähnten Brückenelementen gelieferte positive Spannung ist größer als die von der anderen Hälfte der Brücke von der Sekundärwicklung 50b gelieferte negative Spannung· Diese zweite Hälfte der Brückenanordnung besteht aus den Diodengleichrichtern 58 und 60 und dem Abgleichwiderstand R₁* Dieser ist so eingestellt, daß sein Wert bei normalen Wicklungstemperaturen größer ist als R , so daß die Vorspannung an der Steuerelektrode des Gleichrichters 20 unter normalen Betriebsbedingungen mit Sicherheit positiv ist.

Bewirkt jedoch ein Temperaturanstieg oder andere überwachte Größen eine Zunahme des Widerstandes R über den Widerstand R₁ hinaus, so kehren sich die Verhältnisse an der Brücke um. Die Vorspannung an der Steuerelektrode des Gleichrichters 20 wird dann negativ infolge des von dem den Abgleichwideretand R₁ enthaltenden Abschnitt der Brücke gelieferten negativen Potentials· Unter diesen Bedingungen wird daher der Gleiehrichter 2O nichtleitend.

Die Sekundärwicklung 52b des Transformators 52 bewirkt den erwähnten elektronischen Hystereslseffekt. (felter normalen Bedingungen ist die Wicklung 52c des Transformators 52 durch Leiten des gesteuerten Silizium-Gleichrichters 20 kurzgeschlossen, so daß verhältnismäßig geringe Spannung in dar Wicklung 52b

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induziert wird. Somit ist die am Abgleichwldaretand B. harr-

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-löschende Spannung im wesentlichen gleich der Gleichspannung, die über die Diodengleichrichter 58 und 60 von der Sekundärwicklung 60b des anderen Transformators 50 geliefert wird. Vird der Gleichrichter 20 durch Zunahme des Widerstandes Κ_χ nichtleitend, so wird die Reaktanz der Wicklung 52a sehr viel höher als die Belastungsreaktanz der Schützepule M. Daher erscheint der größte Teil der Netzspannung über die Anschlüsse L. und L₂ an der Wicklung 52a und induziert eine merkliche Spannung in der Wicklung 52b. Die Wicklung 52b ist so gepolt, daß die an den Widerstand R_} und danit an die Steuerelektrode angelegte negative Spannung zunimmt.

Auf diese Weise muß der Widerstand der Steuerelemente R auf einen Wert sinken, der unter dem Punkt liegt, an dem der Gleichrichter 20 nichtleitend wurde, ehe die Netsspannung an dem Steueranschluß des gesteuerten Gleichrichters 20 wieder positiv und der Gleichrichter wieder leitend wird. Dadurch wird der erwünschte Unterschied zwischen dem Aus- und dem Einschalten ein elektronischer Hy«t*resiseffekt erzeugt.

Die vorstehend als Schutzschaltung 10 In Verbindung mit einem Motor-Schütssystem beschrieben· Steuerschaltung hat einen weiteren Anwendungsbereich als Steuer- und Schutzsystem. Obgleich sie vorstehend al· auf ·1β· positiv· Veränderung eines Widerstand·· R^ ansprechend b«*cnri«b«n ist, können die Kiemen*

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ta R. und K auch gegeneinander auagetauacht werden, ao daß die Schaltung auf eine negative Vfideratandaänderung anapricht; mit anderen Worten: bei der abgewandelten Auaführungaforn können Heißleiter alt negativen Temperaturkoeffizienten verwendet werden·

Die Erfindung läßt aich auch in anderen Ausführungen verwirklichen· ohne Sinn und Geltungabereich der Erfindung au beeinträchtigen.

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Claims

U63453 - 16 Patentansprüche

1. Steuerschaltung zum Steuern von von einer Wechselstromquelle an eine Last angelegtem Strom auf Schwankungen der Impedanz eines Abfühlelementes hin, gekennzeichnet durch einen ersten Transformator mit einer ersten Wicklung, die zwischen die Quelle und die Last geschaltet ist, eine an eine Sekundärwicklung des Transformators angeschlossene Schaltvorrichtung zum Verändern der Impedanz der Primärwicklung zur Steuerung des Stromflusses zwischen der Quelle und der Last, und durch eine an die Schaltvorrichtung angeschlossenen Versorgungsschaltnng, die mit dem Abfühlelement verbunden ist, um zu bewirken, daß die Vorrichtung auf eine Widerstandeveränderung des Abfühlelementes hin zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand schaltet·

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung einen steuerten Halbleitergleichrichter aufweist.

3. Steuerschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsschaltung einen zweiten Transformator hat, dessen Primärwicklung mit der Wechselstromquelle verbunden ist, sowie eine Gleichrichterbrücke , die mit der Schaltvorrichtung verbunden ist

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und Steueransehlüsse hat zum Anschluß an das Abfühlelement, derart ι daß der Widerstand des AbfUhlelementes den Gleichgewichtszustand der Brücke und damit den Zustand der Schaltvorrichtung steuert·

4. Steuerschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke Gleichrichter und einen Abgleichwiderstand hat, die zwischen die Sekundär« wicklung des zweiten Transformators und die Schaltvorrichtung geschaltet sind und eine Spannung erzeugen, die die Sehaltvorrichtung normalerweise leitend macht, ferner zwischen der Sekundärwicklung des zweiten Transformators und einen der Steueranschlüsse liegende Gleichrichter sum Erzeugen einer Spannung in dem Abfühlelement, durch die die Schaltvorrichtung auf eine Widerstandsveränderung des Abfühlelement es hin nichtleitend wird,

5· Steuerschaltung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transformator eine weitere Sekundärwicklung hat, die mit den Abgleichwideretand verbunden ist, um die Spannung darin zu erhöhen, wenn die Schaltmittel nichtleitend sind, und dadurch einen Hysteresis-Iffekt zu erzeugen.

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