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Kollektorloser, elektronisch gesteuerter Gleichstrommotor
Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen elektronisch gesteuerten Gleichstrommotor.
Bei den bekannten Gleichstrommotoren ist eine sogenannte Kommutierung notwendig, d. h., eb mu15 ein Richtungswechsel des der Wicklung zugeführten Stromes erfolgen, wobei der Aufbau des permanenten
Feldes im Läufer oder im Stator erfolgen kann. Der Kommutator, der die Kommutierung bewirkt, ist im allgemeinen so ausgebildet, dass sich am Umfang der Läuferwelle Segmente entsprechend der Anzahl der
Läuferwicklungen befinden. deren Wicklungsenden mit diesen Segmenten verbunden sind. Zur Stromzu- führung dienen sogenannte Kohlebürsten. Um auch bei Dauerbetrieb eine einwandfreie Funktion zu ge- währleisten, müssen die Kommutatoroberf1äche und die Bürsten immer sehr sauber gehalten werden.
Trotzdem lässt sich ein Verschleiss nicht vermeiden, der die Lebensdauer beschränkt und zu Störungen Anlass gibt. Durch die Abnutzung wird aber auch die an sich schon schwer vermeidbare Funkenbildung zwi- schen Kollektor und Bürsten stärker. Beim Antrieb von gegen die durch die Funken entstehenden elektro- magnetischen Wellen störempfindlichen Geräten, z. B. ronbandgeräten, macht sich dies sehr unangenehm bemerkbar.
Um die guten Steuereigenschaften von Gleichstrommotoren auch im Schwermaschinenbetrieb benutzen zu können, wurden Schaltungsanordnungen vorgeschlagen, die die infolge der grossen Ströme schwierige mechanische Kommutierung vermeiden sollen. Es werden sogenannte Stromrichtermotoren benutzt, bei denen die Steuereinrichtung für die Kommutierung mit gittergesteuerten Röhrengleichrichtemoder Schalttransistoren aufgebaut ist, die die Stromform des mit mechanischen Kollektoren erzielten Kollektorstromes je nach den Erfordernissen nachbilden. Diese Stromform wird mehr oder weniger Rechteckcharakter haben.
Die im allgemeinen geeigneten Arbeitswicklungen der Motoren haben durch ihre abweichende Art von den herkömmlichen Gleichstrommotorwicklungen den Nachteil eines kleineren elektrischen Wirkungsgrades, der sich besonders bei batteriegetriebenen Kleinmotoren sehr ungünstig auswirkt.
Bekannt ist bereits ein kollektorloser, elektronisch gesteuerter Gleichstrommotor, mit einer elektrotronischen Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von der Läuferdrehung einen ausTransiscorenaufgebauten Kommutator steuert, der einen impulsförmigen Strom nach Art eines mechanischen Kollektors erzeugt, wobei die den Kommutator bildenden Transistoren in vier Zweigen einer Brückenschaltung, in deren Diagonalzweig die Motorwicklungen liegen, angeordnet sind.
Erfindungsgemäss ist ein solcher Gleichstrommotor dadurch gekennzeichnet. dass am Motor eine zwisehen Luftransformatoren mit dem Läufer verbundene, mit einer Öffnung versehene Scheibe zur Bildung des Eingangssignals für die elektronische Steuereinrichtung vorgesehen ist, und dass jeder Diagonalzweig der Brückenschaltung durch einen Anpassungstransistor gesteuert wird und im leitenden Zustand des einen Brückenzweiges der Kollektor des nicht ausgesteuerten Anpassungstransistors mit dem Kollektor eines ausgesteuerten Brückentransistors verbunden ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Gleichstrommotor im Querschnitt, Fig. 2 verschiedene Aus- fiihrungsformen einer Scheibe, durch die die Steuerung des elektronischen Kommutators in Abhängigkeit von der Ankerdrehung erfolgt, Fig. 3 eine elektronische Schaltung zur Kommutierung mit einer Nut pro
Pol, Fig. 4 eine elektronische Schaltung zur Kommutierung mit zwei Nuten pro Pol, Fig. 5a und 5b ver- schiedene Eingangsschaltungen für den elektronischen Kommutator und Fig. 6 verschiedene Einrichtun- gen zur Steuerung der elektronischen Schaltungen in Abhängigkeit von der Ankerdrehung.
In Fig. 1 ist mit 1 der Läufer des erfindungsgemässen Gleichstrommotors bezeichnet, der in be- kannter Weise innerhalb des Ständers 2 angeordnet ist. Der Ständer 2 ist mit einer Wicklung 3 versehen, deren einzelne Spulen mit dem erfindungsgemässen elektronischen Kommutator verbunden sind.
Der Läufer 1 weist im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 Permanentmagnete 4 auf. Er kann jedoch auch mit einer Erregerwicklung versehen sein, der über nicht dargestellte Schleifringe auf der Läuferwel- le 5 der Erregerstrom zugeführt wird.
Auf der Läuferwelle 5 ist weiterhin eine Scheibe 6 angeordnet, die mit dem Läufer 1 ro- tiert und bei der Rotation mit einer Zone 7 zwischen der Primärspule 8 und der Sekundärspule 9 von am Umfang des Ständers angeordneten Lufttransformatoren 10 (Fig. 3, 4 und 5) hindurchgeführt wird. Die Scheibe 6 ist derart ausgebildet, dass durch sie die Kopplung zwischen den beiden Spulen einer der beiden Lufttransformatoren bei der Rotation verändert wird. Dies kann in der Weise erfolgen, dass die Scheibe 6 aus Metall hergestellt ist und in ihrer Randzone 7 eine runde Aussparung 11, wie in Fig. 2a dargestellt, oder eine nierenförmige Aussparung 11a, wie in Fig. 2b dargestellt, auf- weist.
Die in Fig. 1 dargestellten Lufttransformatoren sind mit ihrer Sekundärwicklung 9 die an einem
Kondensator 12 liegt, der mit der Spule 9 einen Schwingkreis bildet, mit den Eingängen eines bistabilen Multivibrators verbunden, wie in Fig. 5a dargestellt. Die Spule 9 kann bei genügend gro- sser Eingangsspannung auch ohne Kondensator 12 an den Eingang des Multivibrators geschaltet sein.
Die Primärwicklung 8 ist an einen Hilfsgenerator gelegt, der z. B. aus dem HF-Generator eines in den
Zeichnungen nicht dargestellten Tonbandgerätes bestehen kann.
Der bistabile Multivibrator in Fig. 5a besteht aus zwei Transistoren T und T, von denen der eine Transistor T, über eine Diode D mit seiner Basis an die Sekundärspule 9 des einen Lufttransformators 10, der andere Transistor T2 über eine Diode D2 an die Sekundärspule 9 des andern Lufttransformators angeschlossen ist. Die Emitter der beiden Transistoren Tl und T2 sind über einen Widerstand 13 an Pluspotential gelegt. Ferner liegt die Basis des Transistors Tl über einen Widerstand 14 und die Basis des Transistors T2 über einen Widerstand 15 an Pluspotential, während die Sekundärwicklungen 9 der Lufttransformatoren 10 mit ihren den Dioden gegenüberliegenden Enden unmittelbar an Pluspotential angschlossen sind.
Die Kollektoren der Transistoren Tl und T 2 sind unmittelbar an Ausgangsleitungen A und B (Fig. 5a) angeschlossen. An diesen Ausgangsleitungen werden die Ausgangssignale der Multivibratorschaltung abgenommen. Die Ausgangsleitung A ist weiterhin mit einem zwischen Basis des Transistors T 2 und Minuspotentialliegenden aus den Widerstän- den 16,17 bestehenden Spannungsteiler verbunden, während die Ausgangsleitung B an einem entsprechenden zwischen Basis des Transistors T. und Minuspotential liegenden aus den Widerständen 18, 19 bestehenden Spannungsteiler liegt.
Die Ausgangsleitungen A, B des bistabilen Multivibrators (Fig. 5a) sind mit in den Zeichnungen nicht dargestellten Leitungen mit den Eingängen 21,20 (des Kommutators in Fig. 3) verbunden. Der Eingang 20 ist über einen Widerstand 22 mit der Basis eines Transistors Tg und der Eingang 21 über einen Widerstand 23 mit der Basis des Transistors T4 verbunden. Der Transistor Tg liegt weiterhin über einen Widerstand 24 mit seiner Basis an Pluspotential und mit seinem Emitter an der Basis eines Transistors Tg, wobei die letzte Verbindung über einen Widerstand 25 an Pluspotential gelegt ist.
Der Kollektor des Transistors Tg ist mit den Kollektoren von Transistoren T7 und Tg direkt verbunden, während er über einen Widerstand 26 an der Basis eines Transistors T6 liegt. Der Transistor T6 ist seinerseits mit seinem Emitter an Minuspotential angeschlossen, während sein Kollektor direkt mit den Kollektoren der Transistoren Tg und T4, und über einen Widerstand 27 mit der Basis des Transistors Tg verbunden ist. Entsprechend dem Transistor T 3 ist der Transistor T mit seiner Basis über einen Widerstand 28 an Pluspotential und mit seinem Emitter an die Basis des Transistors T7 angeschlossen. Die letzte Verbindung liegt wieder über einen Widerstand 29 an Pluspoten tial.
Die Transistoren Tg, Tg, T und Tg stellen eine Brückenschaltung dar, in deren Diagonale die Motorwicklungen MundM angeordnet sind. Die Transistoren Tg und T dienen dabei zur Anpas-
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sung der von der bistabilen Multivibratorschaltung kommenden Steuersignale an die Brückenschaltung.
Bei den Transistoren T und Tg handelt es sich um npn -Transistoren, während die übrigen Transisto- ren pnp-Transistoren sind.
Die Funktion der Anordnung ist nun folgende : Durch die in Fig. 1 dargestellte Scheibe 6 wird die Induktion in der Sekundärspule 9 einer der beiden Lufttransformatoren unterbrochen, wenn die Scheibe mit ihrem vollen Material zwischen der Pri- mär-und Rekundärspule dieses Lufttransformators steht. Wird dagegen die Öffnung 11 oder 11a zwi- schen die beiden Spulen einer der Lufttransformatoren 10 gebracht, so wird in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert. Es sei nun angenommen, dass die Öffnung der Scheibe sich zwischen den bei- I den Spulen des linken Lufttransformators 10 der Fig. 5a befindet. In der Sekundärspule 9 dieses
Lufttransformators wird dann eine Spannung induziert, die von der Diode D, gleichgerichtet wird und an der Basis des Transistors Tl anliegt.
Durch die an der Basis anliegende Spannung wird der Transi- stor T leitend, so dass ein Strom fliesst. Durch diesen Strom wird bewirkt, dass die Basisspannung am
Transistor Ta absinkt und der Kollektorstrom vermindert wird, da die beiden Transistoren als bistabi- ler Multivibrator geschaltet sind. Durch die Verminderung des Kollektorstromes in T2 steigt aber die
Basisspannung an Tl an und der Kollektorstrom von T. wird grösser. Dadurch wird die Basisspannung an T 2 noch mehr vermindert, und dieser Vorgang wiederholt sich, bis der eine stabile Zustand der
Multivibratorschaltung erreicht ist. Die Kollektorspannung Transistors T, sinkt dann auf ihren Mini- malwert ab, und die Kollektorspannung des Transistors T erreicht ihren Maximalwert.
Am Aus- gang B liegt nun ein negatives Potential, an das der Punkt 20 in Fig. 3 angeschlossen ist.
Dieser dem Eingang 20 zugeführte Spannungsimpuls liegt über die als Spannungsteiler wirkenden
Widerstände 22,24 am Transistor T 3 an. Der Transistor T 3 wird dadurch geöffnet, und es fliesst ein Strom über den Emitterwiderstand 25. Durch den am Emitterwiderstand 25 auftretenden Span- nungsabfall wird der Transistor T 5 leitend, da diese Spannung an der Basis vom Transistor Tg an- liegt. Am Kollektor von Tg liegt weiterhin über den Widerstand 27 die Basis des Transistors Tg, so dass auch an der Basis des Transistors Tg eine Spannung anliegt, durch die der Transistor Tg ebenfalls geöffnet wird.
Es sind damit die Transistoren T. und T, des einen Brückenzweiges leitend, so dass ein Gleich- strom in Richtung der Transistoren Ts, Tg über die Motorwicklungen M, M fliessen kann, wie in den Zeichnungen durch einen Pfeil dargestellt ist. Durch den Stromfluss in der Motorwicklung und der hiebei auftretenden Kraftwirkung zwischen Ständer und Anker wird der Anker dann um eine Polteilung ge- dreht, wobei gleichzeitig die auf der Ankerwelle 5 sitzende Scheibe mitgedreht wird. Die Öff- nung 11 bzw. 11a der Scheibe 6 gelangt dann zwischen den zweiten Lufttransformator der Fig. 5a, während die Induktion im andern Lufttransformator unterbrochen wird.
Im zweiten Lufttransformator er- folgt dann eine Induktion zwischen der Primär- und Sekundärspule, wobei die in der Sekundärspule indu- zierte Spannung durch die Diode D, gleichgerichtet wird. Diese gleichgerichtete Spannung liegt an
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tor in seinen zweiten stabilen Zustand kippt. Dadurch liegt an der Ausgangsleitung A ein Minuspotential. Dieser Spannungsimpuls liegt dann am Eingang 21 der Fig. 3 und damit über den Spannungsteiler 23,28 am Transistor T4 an. Dadurch wird der Transistor T4 leitend, und am Widerstand 29 tritt ein Spannungsabfall auf. Die am Widerstand 29 anliegende Spannung liegt ebenfalls
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rung bewirkt, durch die der Transistor Tg ebenfalls in den Leitfähigkeitszustand gelangt.
Die Brükkenschaltung ist dann auf die Transistoren Tu, tu umgeschaltet und über die Transistoren T. Tg kann nun in Richtung T, Tg ein Gleichstrom fliessen. Dieser Gleichstrom fliesst in entgegengesetzter Richtung wie der vorhergehende (in den Zeichnungen durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet), so dass die Motorwicklungen MI'Ma entgegengesetzt durchflossen werden. Der Läufer des Motors wird dadurch um eine Polteilung weitergedreht, und die Lochscheibe 6 gelangt mit ihrer Öffnung wieder zwischen die Spulen des ersten Lufttransformators, so dass in diesem wieder eine Spannung induziert wird und die Aussteuerung der Transistoren von vorne beginnt.
Dieser periodische Wechsel wiederholt sich nun in Abhängigkeit von der Drehung des Ankers, wobei die Öffnung der Scheibe so angeordnet sein muss, dass die Stromumpolung erfolgt, wenn ein Pol des Läufers unter den entsprechenden Spulenleiter zu liegen kommt.
Um im leitenden Zustand des einen Brückenzweiges den andern praktisch sperren zu können, ist es erforderlich, dass im jeweiligen nicht ausgesteuerten Anpassungstransistor T 3 oder T kein nennens-
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werter Reststrom fliesst.
Um dies zu erreichen, ist es zweckmässig, den Kollektor des Anpassungstransistors mit dem Kollektor des durch den andern Anpassungstransistor ausgesteuerten Transistors zu verbinden. Dieser wird dann so weit geöffnet, dass die Kollektorspannung bis zur Kniespannung abgesunken ist.
Die Eindeutigkeit der Drehrichtung wird durch die Form und Anordnung der Öffnung 11 bzw. lla in der Scheibe 6 festgelegt. Es ist dabei zweckmässig, die Öffnung so auszubilden, dass sie im Ruhezustand immer zwischen einem der Lufttransformatoren liegt, wie in Fig. 2a in gestrichelter Form dargestellt ist. Eine Drehrichtungsänderung kann in-der bei Gleichstrommaschinen bekannten Weise durch Umpolung der Motorwicklung erreicht werden.
Die in Fig. 3 beschriebene Anordnung der Kommutierung lässt sich bei der Auslegung der Motorwicklung mit einer Nut pro Pol anwenden. Die Anordnung kann aber auch auf mehrere. Nuten pro Pol erweitert werden. Eine Anordnung mit zwei Nuten pro Pol zeigt Fig. 4.
Mit 10 sind in Fig. 4 wieder die Lufttransformatoren bezeichnet, die mit ihren Primärspulen 8 an einem Hilfsgenerator und mit ihren Sekundärspulen 9 an einem Kondensator 12 liegen. Die von den Sekundärspulen der Lufttransformatoren abgenommenen Spannungen werden durch Dioden D-D gleichgerichtet und liegen an den Basen von Transistoren T-T an. Die Kollektoren dieser Transistoren sind über je einen Widerstand 45-48 an Minuspotential gelegt und ferner direkt mit der Basis je
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wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Brückentransistoren durch einen der Transistoren T44 bis T47 ausgesteuert werden.
Dabei istdie Basis des einen Brückentransistors direkt mit dem Kollektor des Steuertransistors verbunden, während die Basis des andern Transistors an einem zwischen Kollektor und Pluspotential geschalteten, aus den Widerständen 49,50 bestehenden Spannungsteiler liegt. Bei den Brückentransistoren handelt es sich wieder um pnp-Transistoren, und die gesamte Schaltung ist symmetrisch aufgebaut.
Die Motorwicklungen M.-M sind zwischen den Brückentransistoren in der Weise angeordnet, dass sie jeweils mit einer Diagonale zwischen vier Brückentransistoren liegen, u. zw. im Punkt V an der Emitterkollektorverbindung von T48 zu T51, im Punkt W an der Emitterkollektorverbindung T50 zu Tg, im Punkt X an der Emitterkollektorverbindung von T52 zu Tg und im Punkt Y an der Emitterkollektorverbindung von T55 zu T 53. Die Verbindung der Punkte X, Y mit den Motorwicklungen ist in den Zeichnungn nur durch Pfeile dargestellt.
Die Funktion der Schaltung ist nun folgende :
Durch die Lochscheibe 6 wird wieder eine Induktion zwischen den beiden Spulen der Lufttransformatoren bewirkt, u. zw. je nach dem, ob sich die Öffnung der Scheibe 6 zwischen den Spulen oder ausserhalb der Spulen der Lufttransformatoren befindet. Es sei angenommen, dass sich die Öffnung der Scheibe 6 zwischen den Spulen des linken oberen Lufttransformators befindet. In der Sekundärspule 9 dieses Transformators wird dann eine Spannung induziert, die von der Diode D41 gleichgerichtet wird und an der Basis des Transistors T40 anliegt. Dieser Transistor wird dann durchgeschaltet ; über den Widerstand 45 fliesst ein Strom, der einen Spannungsabfall bewirkt. Die Basis des Transistors T 44 erhält Pluspotential, und der Transistor wird leitend.
Durch den an den Widerständen 49, 50 auftretenden Spannungsabfall liegt an den Basen der Transistoren T48 und T49 eine negative Spannung an, so dass diese leitend werden. Es fliesst nun ein Gleichstrom über die Motorwicklung in Richtung W-Vi. der Läufer dreht sich. Hiedurch kommt die Scheibe 6 mit ihrer Öffnung zwischen die Spulen des linken weiteren Lufttransformators, so dass in dessen Sekundärspule eine Spannung induziert wird.
Diese Spannung wird durch die Diode D 42 gleichgerichtet und liegt am Transistor T41 an und öffnet ihn. Durch den Spannungsabfall am Widerstand 46 wird der Transistor T 45 leitend, so dass über den Spannungsteiler 49,50 ein Strom fliesst. Dadurch werden die Brückentransistoren T-Tgg geöffnet, so dass ein Gleichstrom in Richtung Y-X durch die Motorwicklung fliesst. Der Läufer erhält dadurch wieder ein Drehmoment, und die Öffnung der Scheibe 6 gelangt zwischen die Spulen des rechten oberen Transformators. Die in der Sekundärspule dieses Transformators induzierte Spannung öffnet in gleicher Weise die Brückentransistoren T50-T51 und es fliesst ein Gleichstrom in Richtung Y-W durch die Motorwicklung.
Beim Weiterdrehen der Scheibe 6 kommt die Öffnung dann zwischen die Spulen des rechten unteren Transformators, und es werden die Brückentransistoren T 53 und T 52 geöffnet. Der Gleichstrom fliesst dann in Richtung V-Y durch die Motorwicklung. Der Läufer des Motors hat dann eine Drehung von 3600 ausgeführt, und die Öffnung der Scheibe 6 kommt wieder zwischen die Spulen des ersten Transformators. Der Zyklus beginnt dann von neuem.
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Neben den in Fig. 5a und Fig. 4 angegebenen Anschlussschaltungen für den Lufttransformator sind auch weitere Schaltungen möglich. Fig. 5b zeigt eine weitere Möglichkeit.
In Fig. 5b ist eine Schaltung angegeben, bei der nur ein Lufttransformator erforderlich ist bei einer zweipoligen Maschine mit einer Nut pro Pol. Die Ausbildung der Scheibe muss dann in der in Fig. 2b angegebenen Weise erfolgen, u. zw. muss die Öffnung l1a sich über 180 Umfanges der Scheibe erstrecken. Befindet sich die Scheibe mit ihrem vollen Material zwischen den Spulen 8,9 des Lufttransformators 10 der Fig. 5b, dann wird in der Sekundärspule 9 keine Spannung induziert. Über die Widerstände 51,52, 53 fliesst dann ein Strom, so dass am Transistor T56 eine negative Spannung anliegt. Der Transistor T 56 ist leitend. Es fliesst ein Strom über die Widerstände 54,55 und auf der Leitung A tritt ein Ausgangssignal auf. Kommt die Scheibe 6 mit ihrer Öffnung lla zwischen die Spulen 8 und 9, so wird in der Spule 9 eine Spannung induziert.
Diese durch die Diode D50 gleichgerichtete Spannung liegt an der Basis des Transistors T57 und öffnet diesen. Der über den Transistor T dann fliessende Strom sperrt über den Widerstand 52 den Transistor T, und auf der Ausgangsleitung B tritt ein Ausgangssignal auf. Eine derartige Anordnung, die unter dem Namen Schmitt-Trigger bekannt ist, ist insoferne vorteilhaft, als für zwei Schaltstellungen nur ein Lufttransformator erforderlich ist.
In Fig. 6a und 6b ist eine Möglichkeit angegeben, die Umschaltung der Polarität in Abhängigkeit von der Stellung des Läufers nicht durch Lufttransformatoren, sondern durch Lichtsteuerung vorzunehmen.
Der Läufer 1 des Motors weist zwischen denPolenhalbkreisförmigeAussparungen 56 auf, durch die der Lichtstrahl eines am Ständer 2 angeordneten Lämpchens 57 auf einen Photowiderstand 58 fällt, durch den dann der elektronische Kommutator gesteuert wird. Bei Drehung des Läufers wird der Lichtstrahl durch die Pole bis zur nächsten Öffnung verdeckt. Weitere Möglichkeiten zur Steuerung sind eine oder mehrere Hallsonden in Verbindung mit den Elektro- oder Permanentmagneten oder die Frequenzänderung eines Steueroszillators.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Kollektorloser elektronisch gesteuerter Gleichstrommotor, mit einer Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von der Läuferdrehung einen aus Transistoren aufgebauten Kommutator steuert, der einen impulsförmigen Strom nach Art eines mechanischen Kollektors erzeugt, wobei die den Kommutator bildenden Transistoren in vier Zweigen einer Brückenschaltung, in deren Diagonalzweig die Motorwicklungen liegen, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Motor eine zwischen Lufttransfor- matoren mit dem Läufer verbundene, mit einer Öffnung versehene Scheibe zur Bildung des Eingangssignals für die elektronische Steuereinrichtung vorgesehen ist,
und dass jeder Diagonalzweig der Brückenschaltung durch einen Anpassungstransistor gesteuert wird und im leitenden Zustand des einen Brückenzweiges der Kollektor des nicht ausgesteuerten Anpassungstransistors mit dem Kollektor eines ausgesteuerten Brückentransistors verbunden ist.