DD217378A1 - Schaltungsanordnung zum starten ruhender umformer mit selbstspeisung ihrer steuerschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ruhende Umformer wie Gleichspannungswandler beliebigen Funktionsprinzips und Wechselrichter, deren elektronische Steuerschaltung waehrend des stationaeren Betriebes aus einer Hilfswicklung des eigenen Uebertragers unter Verwendung eines Speicherkondensators selbst gespeist wird und durch Zufuehren einer Anfangsladung zum Speicherkondensator aus der zum Betrieb des Umformers dienenden Eingangsgleichspannung gestartet wird. Die Erfindung, die in einem extrem grossen Variationsbereich der Eingangsgleichspannung eine kurze und stets gleich bleibende Anfangsladezeit ohne Verluste nach der Startphase sowie einen selbsttaetigen Anlauf nach dem Wegfall von Ueberlastungen gewaehrleisten soll, besteht aus der Anordnung einer Konstantstromquelle zwischen Eingangsgleichspannung und Speicherkondensator und aus einer elektronischen Schwellwert- und Schalteranordnung, mit der nach Erreichen des notwendigen Ladezustandes die Speisespannung der Steuerschaltung zugefuehrt und gleichzeitig die Konstantstromquelle gesperrt wird. Fig. 1

Description

Erfinders Dipl.-Ing. Siegfried Peckelsen Berlin, 29·06·1983

P 1354-

Zustellungsbevollou : r

Institut; für Regelungstechnik

im Kombinat VEB EAW Berlin-Treptow

"Friedrich Bbert"

1055 Berlin, Storkower Str· 101

Büro für Schutzrechte '

H 02 M - 1/08

Schaltungsanordnung zum Starten ruhender Umformer mit Selbstspeisung ihrer Steuerschaltung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ruhende Umformer, die Steuer- und Regelschaltungen enthalten, deren elektronische Bauelemente im stationären Betrieb des Umformers aus dessen Übertrager selbst gespeist werden. Dies betrifft sowohl Gleichspannungswandler beliebigen Arbeitsprinzips als auch Wechselrichter·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In ruhenden Umformern, die entweder mit sehr hohen oder an stark variablen Eingangsgleichspannungen betrieben werden, wird die Speisespannung für die Steuer- bzw· Regelschaltung während des stationären Betriebes üblicherweise nicht direkt aus der Einrgangsgleichspannung abgeleitet, wenn wegen der unterschiedlichen Spannungshöhen zu große Verluste in dem erforderlichen Vorwiderstand entstehen würden· Es ist bekannt, zur Selbstspeisung der elektronischen Baustufen einen Speicherkondensator vorzusehen, dessen Ladung aus einer Hilfswicklung des im Umformer verwendeten Übertragers aufrechterhalten wird.

Zum Starten des Umformers muß dem Speicherkondensator eine Anfangsladung zugeführt werden, weil die Hilfswicklung wegen der

H. JiIL 1983 *iü 1081

fehlenden Ansteuerung des oder der Leistungstransistoren noch keine Energie liefert· Diese Anfangsladung erfolgt aus der Eingangsgleichspannung und wird beendet;, sobald der Anlauf des Umformers stattgefunden hat. Startschaltungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind bereits bekannt. _;

In der DD-PS I30 825 liegt der Speicherkondensator über einen hochohmigen Ladewiderstand an der Betriebsspannung, sodaß er sich nach dem Einschalten entsprechend der sich ergebenden Zeitkonstante zeitverzögert auflädt, wobei nach Erreichen der benötigten Spannung eine Triggerschaltung das Steuerteil mit dem Speicherkondensator verbindet. Hierbei wird jedoch der Ladewi- ^ derstand nicht abgeschaltet, sondern bleibt auch während des stationären Betriebes, wenn die Ladung des Speicherkondensators aus einer Hilfswicklung erfolgt, weiterhin angeschlossen· Deshalb muß ein Kompromiß geschlossen werden zwischen der Verlustleistung im Widerstand und der Zeitverzögerung, d.h. je kleiner die Verlustleistung, desto größer die Einschaltverzögerung· Das läßt sich nur in einem kleinen Variationsbereich der Betriebsspannung optimieren. Läßt man aber einen großen Väriationsbereich zu, z.B. im Verhältnis zehn zu eins, und optimiert die Zeitkonstante auf den unteren Spannungswert, so wird bei der zehnfachen Betriebsspannung die Verlustleistung auf ca. den hundertfachen Wert ansteigen. Optimiert man die Zeitkonstante auf den oberen Spannungswert, so nimmt bei unterer Spannung die Einschaltverzögerung eine untragbar große Dauer an.

' . \- . ' Auf demselben Prinzip beruht die Lösung in der DE-OS 24 45 032, wobei der Trigger anders gestaltet ist. Sie weist dieselben Nachteile wie die zuvor beschriebene auf. ,

Eine etwas vorteilhaftere Ausführungsform dieses Prinzips findet sich in der -DE-OS 30 11 540. Hier liegt in Reihe mit dem Vorwiderstand der Ruhekontakt eines Relais, dessen Wicklung in Reihe mit einem Thyristor liegt, der wiederum bedingt durch ein RC-Glied zeitverzögert über eine Triggerdiode gezündet wird. Bei Anlegen der Betriebsspannung wird der Speicherkondensator über den Vorwiderstand und den Relaiskontakt aufgeladen, wobei

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die Spannung über dem Kondensator durch eine Z-Diode begrenzt wird· Wach kurzer Zeitverzögerung zieht der Relaisanker an, so daß der Kontakt öffnet. Auf diese Weise tritt die zusätzliche Verlustleistung nur während der Startphase auf. Nachteilig ist hierbei das Vorhandensein mechanischer Kontakte mit ihrer Störanfälligkeit anzusehen. Außerdem benötigt das Relais einen HaI-testrom, der auf die' kleinste auftretende Betriebsspannung dlmensioniert werden muß· Ein großer Variationsbereich der Betriebsspannung erfordert einerseits eine Stabilisierung des dauernd fließenden Haltestroms, und bei¹ hohen Werten der Betriebsspannung treten dabei große Verluste auf. Ein weiterer Nachteil zeigt sich bei vorübergehenden Überlastungen oder infolge Hantierungsfehlern verursachten kurzzeitigen Kurzschlüssen des Umformers. Dabei sinkt die Spannung der Hilfswicklung vorübergehend ab, so daß der Speicherkondensator nicht mehr nachgeladen wird und wegen der fehlenden Ansteuerungder Umformer aussetzt. Da die Betriebsspannung nach wie vor vorhanden bleibt, läuft der Umformer nicht selbständig wieder an.

Eine weitere Möglichkeit wird in der AT-PS 340 537 beschrieben. Hier liegt der Speiseeingang eines Taktgebers über einen Kondensator, einen Widerstand und eine Diode direkt an der Betriebsspannung. Parallel zu dem Speiseeingang liegt noch eine Z-Diode zur Spannungsbegrenzung. Beim Anlegen der Betriebsspannung fließt durch den Kondensator ein vom Widerstand begrenzter Ladestrom, der den Taktgeber speist, während von der Hilfswicklung der Speicherkondensator aufgeladen wird. Ist jedoch nach Verschwinden des Ladestroms der Wandler nicht angeschwungen oder tritt eine kürze Betriebsstörung auf, kann der Wandler ebenfalls nicht selbständig wieder starten.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, nach dem StartVorgang Verlustleistungen zu vermeiden, die als Folge der Startschaltung anzusehen sind, unterschiedliche Verzögerungen für den Startvorgang zu vermeiden und von mechanischen Kontakten unabhängig au sein.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Starten ruhender Umformer zu schaffen, deren Steuerschaltung aus einem Speicherkondensator gespeist wird, dessen Ladung im stationären Betrieb aus einer Hilfswicklung vom Übertrager des Umformers erfolgt· Das Starten soll mit Hilfe der Eingangsgleichspannung in einen extrem großen Variationsbereich möglich sein, wobei die Aufladezeit für die Anfangsladung des Speicherkondensators klein und weitgehend unabhängig von der Höhe der Eingangsgleichspannung sein soll· Ferner soll die Verlustleistung klein und auf die Startphase beschränkt "bleiben» Nach dem Wegfall von Überlastungen oder Kurzschlüssen während des stationären Betriebes soll der Umformer selbsttätig wieder anlaufen·

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gelöst, die die folgenden Merkmale aufweist: Zwischen dem Eingangsanschluß für die Eingangsgleichspannung und dein Speisespannungsanschluß am Speicherkondensator ist eine an sich bekannte Konstantstromquelle angeordnet· Dabei liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines Str„o;uquellentransistors in Reihe mit einem Emitterwiderstand zwischen dem Eingangsanschluß und dem Speisespannungsanschluß, ein Basiswiderstand ist zwischen Basis- und Kollektoranschluß angeordnet, und am Bäsisanschlüß ist eine Z-Diode angeschlossen· Zwischen dieser und dem Speisespannungsanschluß ist eine während der Anfangsladung des Speicherkondensators leitende Sperrdiode eingefügt· Am Anschlußpunkt zwischen Z-Diode und Sperrdiode ist ein elektronisches Einschalttor angeschlossen, dessen anderer Anschluß mit dem Anschluß für das Bezugspotential verbunden ist« Ein weiteres elektronisches Einschalttor'ist zwischen dem Speisespannungsanschluß und dem Speisespannungseingang der Steuerschaltung angeordnet· Ebenfalls mit dem Speisespannungsanschluß ist der Eingang eines Schwellwertschalters verbunden, dessen Ausgang an die Steuereingänge der beiden Einschalttore angeschlossen ist· Der Schwellwertschalter besitzt einen sehr weiten Hysteresebereich, wobei der obere Ansprechwert relativ weit oberhalb des Nennwerts der Speisespannung und der untere Ansprechwert unterhalb des Nennwerts liegt«

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Zur Sicherheit gegen Fehlfunktionen kann- eine Ableitdiode, ebenfalls in der Ausführung als Z-Diode, parallel zu dem Einschalttor angeordnet werden, das vom Anschlußpunkt zwischen Sperrdiode und der anderen Z-Diode zum Anschluß für das Bezugspotential führt.

Wenn infolge sehr hoher Eingangsgleichspannungen der Stroraquellentransistor überbeansprucht würde, kann die Konstantstromquelle mit zwei Strornquellentransistoren ausgestattet werden, deren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet werden. Es werden ebenfalls zwei Basiswiderstände eingesetzt, wovon der eine zwischen Basis- und Kollektoranschluß des einen Stromquellen-· transistors und der andere zwischen den beiden Basisanschlüssen angeordnet ist·

Durch den Einsatz einer Konstantstromquelle fließt während der Anfangsladung stets ein konstanter Strom, durch dessen fahl die Aufladezeit auf einen zulässigen Wert begrenzt werden kann und die weitgehend unabhängig von der Höhe der Eingangsgleichspannung ist· Weiterhin steigt die Verlustleistung im Stromquellentransistor nur linear mit der Eingangsgleichspannung an und nicht quadratisch wie bei einem einfachen Widerstand·

Die Verwendung der Speisespannungshöhe als Ansprechkriterium für den Schwellwertschalter hat zur Folge, daß kurzzeitige ebenso wie langanhaltende Betriebsunterbrechungen des Umformers sofort erfaßt werden und stets zu einer erneuten Anfangsladung des Speicherkondensators führen,. Unmittelbar nach dem Fortfall der Ursache einer Betriebs,unterbrechung_ä erfolgt dadurch ein einwandfreier Neuanlauf des Umformers·

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbetspiels näher erläutert» In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 s die erfindungsgemäße Startschaltung in einem ruhenden Umformer nach dem Sperrwandlerprinzip,

Fig, 2: eine Ausgestaltung der in der Startschaltung ver- : wendeten Konstantstromquelle«

Anwendbar ist die erfindungsgemaße Startschaltung in Jedem Typ von ruhenden umformern, die Steuer- und Regelschaltungen enthalten, deren elektronische Bauelemente eine Speisespannung benötigen. Dies betrifft sowohl Gleichspannungswandler beliebigen Arbeitsprinzips als auch Wechselrichter,

Als Beispiel ist in Mg, 1 ein Sperrwandler dargestellt, dem zwischen dem Eingangsanscbluß E und dem Anschluß M für das Bezugspotential eine Eingangsgleichspannung üe zugeführt wird. Aus der Steuerschaltung SS, üblicherweise im.Zusammenwirken mit einer Regelschaltung RS, wird der Leistungstransistor Tl periodisch mit Ansteuerimpulsen beaufschlagt, so daß durch die Primärwicklung Wp des Übertragers Ü Stromimpulse fließen und an _ ' allen Wicklungen Spannungsimpulse auftreten· Gemäß dem Sperrwandlerprinzip wird aus den in den Sperrphasen 'an der Sekundärwicklung Ws auftretenden Spannungsirapulsen mit dem Lastgleichrichter S und dem Glättungskondensator Cg die Verbrauchergleichspannung Uv erzeugt und dem Verbraucher V zugeführt·

Wenn die Eingangsgleichspannung Ue viel größer ist als die für die Steuerschaltung SS benötigte Speisespannung Us, dann wird, um die Verluste klein zu halten, die Speisespannung Us bekannterweise vom Umformer selbst erzeugt· Hierzu dient eine Hilfswicklung Wh, deren Spannungsimpulse über eine Ladediode LD auf einen Speicherkondensatör Cs gelangen,, an dem sich eine entsprechende Gleichspannung als Speisespannung Us ausbildet·

Diese Art der Speisung kann jedoch nur im stationären Betrieb des Umformers erfolgen., wenn die Hilfswicklung Wh Energie liefert und den Speicherkondensator Cs ständig nachlädt. Wird der Umformer eingeschaltet, so läuft er ohne zusätzliche Maßnahmen nicht an, weil der Speicherkondensator Cs noch nicht geladen ist und damit eine Speisespannung zur Ansteuerung des Leistungstransistors Tl fehlt«, '

Beim Einschalten eines derartigen Umformers mit selbsterzeugter Speisespannung Us muß deshalb dem Speicherkondensator Cs eine Anfangsladung zugeführt werden, die ausreichen muß, die Steuerschaltung SS so lange zu speisen, bis der Anlauf des Umformers abgeschlossen und der stationäre Zustand eingetreten ist· Diese Anfangsladung des Speicherkondensators Cs erfolgt in bekannter Weise aus der Eingangsgleichspannung Ue.

Die erfindungsgemäße Startschaltung besteht aus einer Konstantstromquelle'und einer elektronischen Schalteinrichtung· Die Konstantstromquelle enthält in an sich bekannter Ausführung einen Stromquellentransistor Tq mit einem Emitterwiderstand Re, der zusammen mit einer Z-Diode ZD die Höhe des Ladestroms bestimmt« Ein hochohmiger Basiswiderstand Rb schafft das erforderliche Basispotential· Die Schalteinrichtung besteht aus einem Schwellwertschalter SW, der zwei elektronische Einschalttore ITI und ET2 steuert· Eine Sperrdiode SD verhindert das unerwünschte Entladen- des Speicherkondensators Cs beim Umschalten«

Mit dem Einschalten des Schalters S beginnt die Anfangsladung des Speicherkondensators Cs aus der Eingangsgleichspannung Ue· Unabhängig von deren Höhe und dem jeweiligen Ladezustand fließt infolge des Stromquellentransistors Tq ein konstanter Ladestrom, der einen linearen Spannungsanstieg am Speicherkondensator Cs bewirkt. Die beiden Einschalttore .STI und ET2 bleiben dabei- noch im Ausschaltzustand. Die ansteigende Spannung gelangt also noch nicht zur Steuerschaltung SS, so daß der Umformer noch nicht anläuft. Erst wenn der Ansprechwert des Schwellwertschalters SW erreicht ist, erzeugt dieser ein Schaltsignal, mit dem die beiden Einschalttore ET1 und ET2 in den Einschaltzustand versetzt werden. Über das Einschalttor ET2 wird die Speisespannung Us der Steuerschaltung SS zugeführt, und der Umformer läuft an·

Das gleichzeitig in den Einschaltzustand gelangte Einschalttor ET1 verbindet das Bezugspotential mit der Z-Diode ZD. /unter der Voraussetzung, daß deren Z-Spannung kleiner ist als die Speisespannung Us, wird dabei das Basispotential des Stromquellentransistors Tq unter das Potential des Speisespannungsanschlusses As

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und damit unter das Emitterpotential gesenkt· Dadurch sperrt der Stromquellentransi'stor Tq und beendet somit die Anfangsladung des Speienerkondensators Cs. Das unerwünschte Entladen des Speicherkondensators Cs über das geschlossene Einschalttor ET1 zum Bezugspotential des Anschlusses M hin wird durch die Sperrdiode SD verhindert.

Beim Anlauf des Umformers bilden sich an der Hilfswicklung Wh nicht sofort Spannungsimpulse in der erforderlichen Höhe aus, weil der Glättungskondensator Cg und eventuelle weitere angeschlossene Kondensatoren während ihrer Aufladung eine zusätzliche Last darstellen. Aus diesem Grunde muß die Kapazität des Speicherkondensators Cs so groß gewählt werden, daß seine Ladung ausreicht, die Steuerschaltung so lange zu speisen, bis die Hilfswicklung Wh ausreichend hohe Spannungsimpulse liefert, mit denen die Nachladung und damit die Selbsterzeugung der Speisespannung TJs gesichert ist. Aus demselben Grund muß auch der Ansprechwert des Schwellwertschalters SW in einer angemessenen Höhe über dem Hennwert der Speisespannung Us liegen, damit die Spannung am Speicherkondensator Cs während des Anlaufs nicht unter diesen Nennwert absinkt.

Es ist erforderlich, daß der zum Einsatz kommende Schwellwertschalter SW eine relativ große Hysterese aufweist. Der obere Ansprechwert muß, wie begründet, beträchtlich oberhalb des Speisespannungsnennwerts liegen, und der untere Ansprechwert muß unterhalb dieses Nennwerts mit einem ausreichenden Sicherheitsabstand festgelegt sein.

Es ist vorteilhaft, parallel zum Einschalttor ET1 eine Ableitdiode AD einzusetzen, die ebenfalls als Z-Diode ausgeführt ist. Sie stellt eine Sicherheit gegen Fehlfunktionen des Schwellwertschalters SW oder des Einschalttors ET1 dar, weil das Ansteigen der Speisespannung Us durch eine entsprechende Wahl der Z-Spannung der Ableitdiode AD verhindert wird.

Bei der Dimensionierung eines Umformers mit selbsterzeugter Speisespannung Us wird davon ausgegangen, daß die Hilfswicklung Wh bis zur maximal zulässigen Belastung durch den Verbraucher V noch genügend hohe Spannungsimpulse liefert, urn die erforderliche Nachladung des Speicherkondensators Cs zu gewährleisten. Tritt jedoch eine Überlastung oder ein durch Hantierungsfehler verursachter vorübergehender Kurzschluß auf, dann werden die Spannungsimpulse zu klein oder bleiben völlig aus. Als Folge davon sinkt die Speisespannung Us unter den unteren Ansprechwert des Schwellwertschalters SW, Dieser versetzt dann die beiden Einschalttore ET1 und ET2 wieder iin den Ausschaltzustand. Dadurch erhält einerseits die Steuerschaltung SS überhaupt keine Speisespannung Us mehr und der Umformer setzt aus, andererseits wird der Stromquellentransistor Tq wieder leitend, und der Speicherkondensator Cs wird wie bei ' der Anfangsladung nachgeladen, bis wieder die obere Ansprechschwelle des Schwellwertschalters SW erreicht ist. Damit beginnt, wie oben beschrieben, ein erneuter Anlauf des Umformers, der, falls die Überlast oder der Kurzschluß nur vorübergehend war, wieder zum normalen, stationären Betriebszustand führt>

Tritt an einem Umformer mit dieser Startschaltung ein Dauerkurzschluß auf, dann erfolgt entsprechend den vorangegangenen Erläuterungen ein ständiger Wechsel zwischen Anlauf und Stillstand des Umformers. Wird der Kurzschluß beseitigt, dann führt der nächste Anlauf selbsttätig zum stationären Betriebszustand.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausgestaltung der Konstantstromquelle kann zum Einsatz kommen, wenn die Eingangsgleichspannung Ue so große Werte annimmt, daß der Stromquellentransistor Tq bezüglich Verlustleistung oder zulässiger Kollektor-Emitter-Spannung überbeansprucht wird .⁷In diesem Fall werden zwei Stromquellentransistoren Tq1 und Tq2 oder auch eine größere Anzahl in Reihe geschaltet. Die an diesen beiden Transistoren entstehenden Kollektor-Emitter-Spannungen teilen sich entsprechend dem Verhältnis der beiden Basiswiderstände Rb1 und Rb2 auf. Im gleichen Verhältnis verteilt sich auch die Verlustleistung auf die beiden Stroraquellentransistoren Tq1 und Tq2. Die

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Anschlußpunkte dieser Konstantstroraquelle im Umformer der Fig. 1 sind durch den Eingangsanschluß E und den Speisespannungsanschluß As gekennzeichnet.

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Claims (2)

1. Erfinäungsanspruch

   1. Schaltungganordnung zum Starten ruhender Umformer mit Selbstspeisung ihrer Steuerschaltung aus einem Speicherkondensator, der zwischen einem Speisespannungsanschluß und dem Anschluß für das Bezugspotential angeordnet ist, und dessen Ladung im stationären Betrieb aus dem Übertrager des Umformers' aus einer Hilfswicklung über eine Ladediode erfolgt und dem zum Starten eine Anfangsladung aus der zwischen dem Eingangsänsehluß und dem Anschluß für das Bezügspotential anliegenden Eingangsgleichspannung zugeführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Eingangsanschluß (E) und dem Speisespannungsanschluß (As) eine an sich bekannte Konstantstromquelle angeordnet ist, mit der Kollektor-Emitter-Strecke eines Stromquellentransistors (Tq) in. Reihe mit einem Emitterwiderständ (Re) zwischen dem Eingangsanschluß (E) und dem Speisespannungsanschluß (As), mit einem Basiswiderstand (Rb) zwischen ' < Basis- und Kollektoranschluß des Strornquellentransistors (Tq) und mit an den Basisanschluß angeschlossener Z-Diode (ZD), daß zwischen dieser und dem Speisespannungsanschluß (As) eine während der Anfangsladung im Leitzustand befindliche Sperrdiode (SD) eingefügt ist, daß vom Anschlußpunkt zwischen Z-Diode (ZD) und Sperrdiöde (SD) ein elektronisches Einschalttor (ET1) zum Anschluß (M) für das Bezugspotential führt, daß ein weiteres elektronisches Einschalttor (ET2) zwischen dem Speisespannungsanschluß (As) und dem Speisespannungseingang (Es) der Steuerschaltung (SS) angeordnet ist, daß mit dem Speisespannungsanschluß (AS) der Eingang eines Schwellwertschalters (SW) verbunden ist und daß dessen Ausgang an die Steuereingänge der Einschalttore (ET1; ET2) angeschlossen ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß-parallel zu dem vom Anschlußpunkt zwischen Z-Diode (ZD) und Sperrdiode (SD) zum Anschluß (M) für das Bezugspotential führenden Einschalttors (ET1) eine Ableitdiode (AD) angeordnet ist, die ebenfalls als Z-Diode ausgeführt ist.

   Schaltungsanordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Konstantstromquelle aus zwei Stromquellentransistoreh (Tq1 und Tq2) besteht, deren Kollektor-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet sind und daß zwei Basiswiderstände (Kb 1 und Rb2) so angeordnet sind, daß ein Basiswiderstand (Rb1) zwischen Basis- und Kollektoranschluß des zugehörigen Stromquellentransistors (Tq1) und der andere Basiswiderstand (Kb2) zwischen beiden Basisanschlüssen angeordnet ist«

   Hierzu 1 Seite Zeichnung·