CH648963A5

CH648963A5 - Gleichstrom-kleinmotor mit eisenlosem anker.

Info

Publication number: CH648963A5
Application number: CH8984/79A
Authority: CH
Inventors: Fritz Dr-Ing Faulhaber
Original assignee: Faulhaber Fritz
Priority date: 1978-11-08
Filing date: 1979-10-05
Publication date: 1985-04-15
Also published as: US4361789A; DE2942823C2; GB2035711A; DE2942823A1; FR2441289B1; GB2035711B; FR2441289A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Kleinmotor mit eisenlosem Anker, bei dem die über eine Spulenträgerscheibe drehfest mit einer Motorwelle verbundene Ankerspule in eine Mehrzahl von in Stern geschalteten Teilspulen unterteilt ist, die ebenso wie der Sternpunkt über Schleifringe gespeist sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-Kleinmotor, insbesondere mit eisenlosem Anker zu schaffen, der einen schnellen Hochlauf aufweist, ferner eine hohe Lebensdauer und eine hohe Störsicherheit besitzt. Wirkungsgrad und Lebensdauer sollen dabei mindestens den bekannten Gleichstrom-Kleinmotoren entsprechen.

Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass zwischen den freien Sternenden jeder Teilspule und dem zugeordneten Schleifring jeweils eine elektronische Steuerschaltung zur Ansteuerung der Teilspulen geschaltet ist.

Die elektronische Steuerschaltung zur Ansteuerung der Teilspulen ist vorzugsweise aus einem Steuertransistor und einem Schalttransistor gebildet, die z.B. ein Transistorpaar in Darlington-Schaltung bilden, wobei die Basis des Steuertransistors durch das Licht, z.B. einer Glühlampe beaufschlagbar ist, wodurch der Steuertransistor angesteuert und dadurch seinerseits in die Lage versetzt wird, den Schalttransistor anzusteuern und durchzuschalten.

Die elektronischen Steuerschaltungen sind zweckmässigerweise auf einem mit der Spulenträgerscheibe fest verbundenen und mit dieser umlaufenden Kollektorteiler angeordnet.

Durch die Glühlampe lassen sich somit beispielsweise die Steuertransistoren von jeweils zwei benachbarten Steuerschaltungen gleichzeitig beleuchten und damit ansteuern, so dass beispielsweise zwei, der in Stern geschalteten Teilspulen gleichzeitig Strom von einem Schleifring über die beiden aktivierten elektronischen Steuerschaltungen zugeführt werden kann. Der Sternpunkt der Teilspulen ist ebenfalls an einen Schleifring angeschlossen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit der Motorwellendrehzahl umlaufende Regelscheibe vorgesehen, die abwechselnd helle und dunkle bzw. lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Felder besitzt, die durch die Glühlampe beleuchtbar sind. Durch die lichtdurchlässigen Felder hindurch fällt das Licht der Glühlampe auf eine elektronische Regelschaltung, z.B. einen IC, die mit einem geeigneten Phototransistor versehen ist und entsprechend der auf diesen auftreffenden Lichtmenge einen Ausgang liefert, der in einer geeigneten Komparatorschaltung mit einem Soll-Wert verglichen wird, so dass hierdurch z.B. die Drehzahl des Motors regelbar ist.

Vorzugsweise ist der Kollektorteller mit den elektronischen Steuerschaltungen, den Schleifringen und der Regelscheibe in Form einer gesonderten, auswechselbaren Baugruppe aufgebaut.

Vorzugsweise werden die Steuertransistoren der Steuerschaltungen, von denen die eine je einer der Teilspulen zugeordnet ist, durch die Lampe über eine Blende beleuchtet, die in Form eines kreisringförmigen Segmentes ausgebildet ist und es ermöglicht, beispielsweise ständig zwei der z.B. fünf Steuerschaltungen zu beleuchten, unter der Annahme, dass die Ankerspule in fünf Teilspulen unterteilt ist, die in Stern geschaltet sind.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Teil eines Motors mit den Merkmalen der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Teilspulen und der mit diesen verbundenen Steuerschaltungen.

Fig. 3 zeigt im Detail die Schaltungsanordnung, bestehend aus einer Teilspule, dem zugehörigen Steuerchip und der Lampe.

Fig. 4 zeigt die Schaltungsanordnung von fünf in Stern geschalteten Teilspulen mit dem zugehörigen Steuerchip und die Anschlüsse zu den Schleifringen.

Der in Fig. 1 teilweise dargestellte Motor 10 hat ein Gehäuse, das aus einem Eisenrückschluss 12, einem inneren Deckel 14, aus einem isolierenden Kunststoffmaterial und einem äusseren Deckel 16 aufgebaut ist. (Am in der Zeichnung nicht dargestellten, entgegengesetzten Ende des Motors

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ist selbstverständlich ebenfalls ein geeigneter Deckel vorgesehen).

Eine Motorwelle 18 ist in gehäusefesten Lagern drehbar gelagert, von denen eines, 22, zwischen der Motorwelle 18 und einem Magneten 20 dargestellt ist. Auf dem, in der Zeichnung dargestellten Ende der Motorwelle 18 sitzt drehfest mit der letzteren verbunden, eine Spulenträgerscheibe 26, an der eine Ankerspule 24 befestigt und drehfest mit ihr verbunden ist.

Auf der, zur Motorwelle 18 abgewandten Stirnseite der Spulenträgerscheibe 26 ist ein Kollektorteller 28 befestigt und drehfest mit der Scheibe 26 verbunden, so dass er synchron mit der letzteren umläuft. Der Kollektorteller 28, der beispielsweise aus Glasfaserseide gebildet sein kann, die beidseits geeignet mit Kupfer kaschiert ist, bildet das Substrat für eine Anzahl von Steuerschaltungen 32, die fest auf dem Kollektorteller 28 angeordnet und angebracht sind und die z.B. die Form von IC-Chips haben können.

Mit dem Kollektorteller 28 ist fest ein Zapfen 46 verbunden, dessen Längsachse mit der Längsachse der Motorwelle 28 fluchtet. Auf dem Zapfen 46 sitzt ein Schleifring 36, der gegenüber dem Zapfen durch eine Büchse 40 aus Isoliermaterial elektrisch isoliert ist. Auf dem Zapfen 46 sitzt ferner ein weiterer Schleifring 42, der gegenüber dem Schleifring 36 mittels einer Scheibe 44 aus Isoliermaterial elektrisch isoliert ist. Der Schleifring 42 steht aber in elektrisch leitender Verbindung mit dem Zapfen 46 und er ist beispielsweise auf den letzteren aufgeschraubt. Den beiden Schleifringen 36 und 42 wird elektrische Energie über Bürsten 64 zugeführt, die geeignet im Gehäuse, d.h. z.B. im inneren Deckel 14 angeordnet und gehalten sind. Die Bürsten 64 sind mit geeigneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Verbindungsleitungen für den Anschluss an eine äussere Energiequelle versehen.

Jede der Steuerschaltungen 32 (IC-Chips) ist z.B. über eine Leitung 38 mit dem Schleifring 36 verbunden, ferner über eine Leitung 34, einen geeigneten Teil der Kupferka-schierung der Kollektorplatte 28 und eine Leitung 30 mit einer der Teilspulen, die die Ankerspule 24 bilden. (In Fig. 1 ist nur die Ankerspule 24, nicht jedoch die einzelnen Teilspulen, dargestellt).

In einer Aussparung des inneren Deckels 14 ist eine Lampe, z.B. eine Glühlampe angeordnet, die über einen Schlitz 54 im Deckel 14 einen Teil der IC-Chips 32 beleuchtet, wie im einzelnen noch erläutert wird. Der Schlitz 54 im Deckel 14 hat die Form eines Kreisbogensegmentes, wobei die radiale Breite des Schlitzes 54 genügend gross gewählt ist, um die IC-Chips 32 geeignet zu beleuchten, während der Mittelpunkt des kreisringförmigen Segmentes 54 auf der Achse des Zapfens 46 liegt. Bei Verwendung von fünf in Stern geschalteten Teilspulen und fünf IC-Chips 32, die somit in regelmässigen Winkelabständen von 72° auf dem Kollektorteller 28 angeordnet sind, beträgt die Winkelausdehnung des kreisringförmigen Segmentes 54 wenigstens etwa 144°. (In Fig. 1 sind die elektrischen Verbindungsleitungen für die Glühlampe 52 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt).

Auf dem, in Fig. 1, oberen Schleifring 42 ist eine Reglerscheibe 48 angeordnet, die mit der flanschartig verbreiterten Stirnfläche 47 des Schleifrings 42 drehfest verbunden ist, so dass sie mit der Drehzahl der Motorwelle 18 umläuft. Die Reglerscheibe 48 hat abwechselnd lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Felder, beispielsweise in der Form von schmalen Winkelsegmenten, die sich vom Mittelpunkt der Reglerscheibe 48 zu ihrem Umfangsrand erstrecken. Die Scheibe 48 kann beispielsweise etwa hundert solcher Segmente haben, wobei sich jeweils lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Segmente abwechseln.

Am inneren Deckel 14 ist zwischen der drehbaren Reglerscheibe 48 und der Lampe 52 eine weitere Reglerscheibe 50 angeordnet, die fest mit dem Deckel 14 verbunden und daher ortsfest ausgebildet ist. Ihr Aufbau ist derselbe wie der der drehbaren Reglerscheibe 48, wobei jedoch nur der über der Lampe 52 liegende Teil der festen Reglerscheibe 50 zur Wirkung kommt, während der Rest der festen Reglerscheibe 50 unwirksam ist. Aus Gründen der Einfachheit sind jedoch sowohl die drehbare Reglerscheibe 48 als auch die feste Reglerscheibe 50 gleich ausgebildet.

Auf der zur Lampe 52 entgegengesetzten Seite der drehbaren Reglerscheibe 48 ist eine Reglerschaltung 56 in Form, beispielsweise eines IC-Chips angeordnet, die z.B. an der Innenwand des äusseren Gehäusedeckels 16 befestigt und z.B. mit einer nach aussen führenden Kühlrippe 58 versehen ist. Die Reglerschaltung 56 ist über eine Leitung 62 mit einem Anschluss 60 verbunden, der wiederum mit nichtgezeigten, nach aussen führenden Leitungen versehen ist, die z.B. zu einer geeigneten Komparatorschaltung und zu einer Energiequelle führen.

Fig. 2 zeigt schematisch die sternförmig geschalteten Teilspulen 66, die zusammen die Ankerspule 24 bilden. Wie dargestellt, ist jeder Teilspule 66 eine Steuerschaltung 32, z.B. in Form eines IC-Chips, zugeordnet, die zwischen dem freien Ende der jeweiligen Teilspule 66 und dem Schleifring 40 liegt. Der Sternpunkt 68 ist über eine gestrichelt angedeutete Leitung 70 mit dem Schleifring 42 verbunden.

Fig. 3 zeigt im Detail die Schaltung jeweils einer Teilspule 66 und einer Steuerschaltung 32. Jede Steuerschaltung 32 besteht aus zwei Transistoren, nämlich einem Steuertransistor 74 und einem Schalttransistor 76, die, wie dargestellt, in Darlington geschaltet sind. Die Kollektoren der beiden Transistoren 74 und 76 sind parallel an den Pluspol einer Energiequelle gelegt, der Emitter des Steuertransistors 74 ist mit der Basis des Schalttransistors 76 verbunden und der Emitter des letzteren ist an eine Seite der zugehörigen Teilspule 66 gelegt, deren andere Seite am Minuspol der Energiequelle liegt. In einer, zu den Transistoren und der Teilspule 66 parallelen Leitung 78 liegt die Glühlampe 52, durch welche die Basis des Steuertransistors 74, der in Form eines Phototransistors ausgebildet ist, beleuchtet werden kann, wie durch die Pfeile 80 angedeutet ist. In Reihe mit der Lampe 52 liegen ein Potentiometer 72 und ein Strombegrenzungswiderstand 82.

Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung der fünf Teilspulen 66 mit den jeweils zugehörigen Transistoren 74, 76 sowie die Anschlüsse an die Schleifringe.

Wie dargestellt, sind jeder Teilspule 66 je ein Transistor 74 und ein Transistor 76 zugeordnet, die, wie anhand von Fig. 3 beschrieben, geschaltet sind. Der Pluspol, mit dem die Kollektoren der beiden Transistoren 74, 76 verbunden sind, ist an den Schaltring 40 gelegt und der Sternpunkt 68 der Teilspulen 66, der hier den Minuspol darstellt, ist, wie durch die gestrichelte Leitung 70 angedeutet, an den Schleifring 42 gelegt.

Der erfindungsgemässe Motor arbeitet folgendermassen:

Die fünf Teilspulen 66 sind jeweils mit ihrem freien Ende über den jeder Teilspule 66 zugeordneten Steuerkreis 32, der aus den Transistoren 74, 76 besteht, an den Schleifring 40 angeschlossen, während der gemeinsame Sternpunkt 68 sämtlicher Teilspulen 66 mit dem Schleifring 42 verbunden ist.

Die jeweiligen Steuerkreise bzw. die Transistoren 74, 76 sperren nun im Normalfall den Durchgang des Stromes vom Schleifring 40 zu den einzelnen Teilspulen 66, d.h. der Stromkreis zwischen den Schleifringen 40 und 42 ist normalerweise unterbrochen. Wird nun jedoch, wie in Fig. 3 dargestellt, der Steuertransistor 74 bzw. dessen Basis durch die Glühlampe 52 beleuchtet, so wird dieser Steuertransistor 74 geöffnet und es fliesst ein Strom von seinem Emitter zur Basis des Schalttransistors 76. Durch diesen Steuerstrom wird der Schalttransistor

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76 ebenfalls geöffnet bzw. durchgesteuert, so dass in der Schaltung nach Fig. 3 die elektrische Verbindung vom Pluspol zum Minuspol geschlossen ist, d.h. durch die Teilspule 66 in der Schaltung nach Fig. 3 fliesst Strom, d.h. der Stromkreis vom Schleifring 40 zum Schleifring 42 ist über die Teilspule 66 geschlossen, bei deren Steuerkreis 32 der Steuertransistor 74 durch die Glühlampe 52 mit Licht beaufschlagt wird.

Es ist nun vorgesehen, dass jeweils zwei Steuerkreise 32, d.h. die Steuertransistoren 74 von zwei benachbarten Steuerchips 32, durch die Glühlampe 52 belichtet werden, so dass jeweils zwei benachbarten Teilspulen 66 Strom parallel zugeführt wird, wie durch die beiden Pfeile PI und P2 in Fig. 2 angedeutet. Infolge der parallelen Zufuhr des Stromes durch zwei Teilspulen, wird der Innenwiderstand der Ankerspule beträchtlich reduziert. Um nun jeweils zwei benachbarte Chips 32 bzw. deren jeweiligen Steuertransistor 74 beleuchten zu können, ist im Deckel 14 der Schlitz 54 in Form eines Kreisringsegmentes vorgesehen, das sich über einen Winkel von wenigstens etwa 144° erstreckt, bei Verwendung von fünf Teilspulen 66 in Winkelabständen von 72°. Wenn daher von zwei benachbarten, beleuchteten Chips 32 infolge der Drehung der Motorwelle eines aus dem Lichtkegel bzw. dem Lichtbereich der Blende 54 austritt, so tritt das nächstfolgende Chip 32 in diesen Lichtbereich der Blende 54 ein usw., so dass ständig zwei wechselnde Chips 32 während der Drehung der Motorwelle und der sich mit diesr synchron mitdrehenden Chips beleuchtet werden. Die Speiseenergie für den Motor wird somit ständig über zwei Teilspulen 66, die jedoch zyklisch wechseln, zugeführt, nämlich den Teilspulen, deren zugehörige Schalttransistoren 76 infolge der Beleuchtung der zugeordneten Steuertransistoren 74 durchgeschaltet worden sind.

Ein so aufgebauter Motor hat eine sehr hohe Lebensdauer und eine sehr hohe Störfreiheit, da keinerlei Funkenbildung auftritt. Er zeichnet sich ferner durch einen schnellen Hochlauf aus.

Wie Fig. 1 zeigt, werden nun durch die Glühlampe 52 nicht nur die Steuerchips 32 beleuchtet, sondern es wird über die feste Reglerscheibe 50 und die sich drehende Reglerscheibe 48 das Reglerchip 56 beleuchtet, das ebenfalls mit einem geeigneten Steuertransistor, z.B. einem Phototransistor, ausgestattet ist. Wie bereits erläutert, sind die beiden Reglerscheiben mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen bzw. hellen und dunklen Feldern versehen, so dass infolge der Drehung der Reglerscheibe 48 (die sich mit der Motordrehzahl dreht) einmal das volle Licht von der Glühlampe 52 zum Regelchip 56 durchgelassen wird, wenn zwei helle Felder übereinander zu liegen kommen, während dann, wenn zwei dunkle bzw. lichtdurchlässige Felder der beiden Reglerscheiben übereinander zu liegen kommen, der Lichtdurchgang von der Glühlampe 52 zum Regelchip 56 gesperrt wird.

In dem Regelkreis 56 wird somit abhängig von der Lichtmenge, die von der Glühlampe 52 auf den Regelkreis 56 auftrifft, ein Ausgang erzeugt, der über den Anschluss 60 nach aussen zu einer nichtgezeigten Schaltung geführt werden kann, in welchem dieser Ausgang, d.h. dieses infolge der Beleuchtung des Regelchips 56 von diesem erzeugte elektrische Signal, das einen Ist-Wert darstellt, mit einem Soll-Wert verglichen werden kann. Stimmen die beiden Signale nicht überein, so kann von dieser nichtgezeigten Komparatorschal-tung ein Fehlersignal erzeugt werden, das zur Regelung der Drehzahl des Motors verwendet werden kann.

Andererseits kann mit Hilfe des Potentiometers 72 die Lichtstärke der Lampe 52 eingestellt oder in gewünschter Weise geregelt werden, so dass die von der Lampe 52 auf die Steuerkreise 32 fallende Lichtmenge verändert, d.h. verstärkt oder reduziert werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Stärke des im Steuertransistor 74 erzeugten Signales zu verändern und damit die Stärke der Ansteuerung des Schalttransistors 76, so dass entsprechend mehr oder weniger Energie in die zugehörigen Teilspulen 66 eingespeist werden kann.

Auf diese Weise ist es möglich, z.B. auch das Drehmoment des Motors einzustellen bzw. zu regeln.

Wie dargestellt, bilden der Kollektorteller 28 mit der Elektronik, d.h. den Steuer-Kreisen 32, die Schleifringe 36 und 42 sowie die drehbare Regelscheibe 48 zusammen mit dem Zapfen 46 eine Baueinheit oder Baugruppe, die insgesamt nach Lösung des Kollektortellers 28 von der Spulenträgerscheibe 26 herausgenommen werden kann. Diese Baugruppe kann ferner auch in Verbindung mit Eisenankermotoren verwendet werden. Der Kollektorteller mit der Elektronik kann ferner, gegebenenfalls durch einen mechanischen Kollektor ersetzt werden. In diesem Fall kann die drehbare Regelscheibe am Kollektor befestigt werden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Steuerkreise 32 anstatt durch die Lampe 52 durch geeignete magnetische Mittel anzusteuern.

Schliesslich kann die Elektronik, d.h. die Steuerkreise 32, auch zur Ansteuerung von anderen Wicklungen, z.B. im Dreieck geschalteten Wicklungen, verwendet werden.

In dem inneren Deckel 14 sind, wie Fig. 1 zeigt, die Lampe 52, die feste Reglerscheibe 50, gegebenenfalls ein . nicht dargestellter Vorwiderstand für die Lampe, die beiden Bürsten 64 sowie die beiden nicht gezeigten Bürstenwinkel zum Halten der Bürsten, untergebracht.

An der Seite des Deckels, auf der die Bürsten angeordnet sind, ist der Deckel 14 zweckmässigerweise mit einem Schlitz versehen, der etwas über die Mitte hinausgeht, so dass der Deckel leicht montiert, z.B. von der Seite her eingeschoben werden kann. Der Regelschieber 56 und der mit ihm über die Leitung 62 verbundene Anschluss 60 hingegen sind an der Innenseite des äusseren Deckels 16 angebracht, so dass sie zusammen mit diesem aufgesetzt werden können.

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2 Blatt Zeichnungei

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1. Gleichstrom-Kleinmotor mit eisenlosem Anker, bei dem die über eine Spulenträgerscheibe drehfest mit einer Motorwelle verbundene Ankerspule in eine Mehrzahl von in Stern geschalteten Teilspulen unterteilt ist, die ebenso wie der Sternpunkt über Schleifringe gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den freien Sternenden jeder Teilspule (66) und dem zugeordneten Schleifring jeweils eine elektronische Steuerschaltung (32) zur Ansteuerung der Teilspulen (66) geschaltet ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Steuerschaltung (32) ein Transistorpaar aufweist, das aus einem Steuertransistor (74) und einem Schalttransistor (76) besteht, und dass die Basis des Steuertransistors (74) durch das Licht einer Lampe (52) beaufschlagbar ist, um dadurch den Steuertransistor (74) zu öffnen und den mit ihm verbundenen Schalttransistor anzusteuern und durchzuschalten.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Lampe (52) die Steuertransistoren (74) von jeweils zwei Steuerschaltungen (32) beleuchtbar sind.

4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Steuerschaltungen (32) auf einem mit der Spulenträgerscheibe (26) fest verbundenen und mit dieser umlaufenden Kollektorteller (28) angeordnet sind.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit den Schleifringen fest verbundene und mit der Motordrehzahl umlaufende Regelscheibe (48) vorgesehen ist, die durch die Lampe (52) beleuchtbar ist.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelscheibe (48) abwechselnd lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Felder aufweist, derart, dass durch die lichtdurchlässigen Felder hindurch eine auf Licht ansprechende elektronische Regelschaltung (56) von der Glühlampe (52) beleuchtbar ist, während der Lichtdurchgang durch die lichtundurchlässigen Felder der Regelscheibe (48) gesperrt ist.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerschaltung (56) an der Innenseite eines Deckels (16) des Motorgehäuses angeordnet und mit nach aussen geführten Kühlrippen (58) versehen ist.

8. Motor nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektorteller (28) mit den elektronischen Steuerschaltungen (32), den Schleifringen (36,42) iind der Regelscheibe (48) in Form einer gesonderten, auswechselbaren Baugruppe aufgebaut ist.

9. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltungen (32) magnetisch ansteuerbar sind.

10. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass zur Beleuchtung der Steuertransistoren (74) der in Stern geschalteten Teilspulen (66) in einem inneren Deckel (14) des Motorgehäuses ein, eine Blende bildendes, kreisringförmiges Segment (54) ausgespart ist, durch welches das Licht von der Lampe (52) auf die zu beleuchtenden Steuertransistoren (74) fällt.