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Anordnung zur Steuerung eines an eine Wechselspannung angeschlossenen
elektrischen Stromkreises Es ist bekannt, eine Spannung mit Hilfe eines elektrischen
Ventils und einer Einrichtung zur Veränderung seines Aussteuerungsgrades zu steuern.
Dazu wird unter anderem, besonders in Verbindung mit einem Trockengleichrichter,
ein sogenannter Magnetverstärker benutzt. Das ist eine mit dem Ventil in Reihe liegende
Drossel, die beim Nennstromwert der Anordnung bis über das Knie ihrer Magnetisierungskennlinie
gesättigt ist. Eine solche Drossel verhindert das Zustandekommen eines Stromes in
der Durchgangsrichtung des Ventils jedesmal so lange, bis sie aus dem ungesättigten
Zustand in den gesättigten gelangt ist. Die dazu erforderliche Zeit ist verschieden
je nach dem Ausgangszustand, in dem sich die Drossel befindet, wenn eine treibende
Spannung in der Durchlaßrichtung des Ventils auftritt. Bei bekannten Regelanordnungen
wird dieser Ausgangszustand durch eine steuerbare Rückmagnetisierungseinrichtung
jedesmal während der Sperrzeit des Ventils beeinflußt. Eine derartige Einrichtung
zu verbessern und weiter auszugestalten, sind die Ziele der Erfindung. Demgemäß
betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Steuerung eines an eine Wechselspannung
angeschlossenen elektrischen Stromkreises mit einem elektrischen Ventil und einer
in Reihe damit liegenden Sättigungsdrossel (Magnetverstärker) sowie mit einer steuerbaren
Magnetisierungseinrichtung zur Rückführung der Drossel in den ungesättigten Zustand
während der Sperrzeit des Ventils, durch welche der Sättigungsdrossel mittels eines
Hilfsstromkreises, der ebenfalls ein Ventil (Hilfsventil), insbesondere einen Trockengleichrichter,
mit umgekehrter Durchlaßrichtung wie das Ventil des Hauptstromkreises (Hauptventil)
und ein Steuerorgan enthält, während der Sperrzeiten ein steuerbares Spannungszeitintegral
zugeführt wird. Die Erfindung besteht darin, daß als Steuerorgan eine sich periodisch
sättigende Hilfsdrossel mit einem geringeren Magnetisierungsstrom als die im Hauptstromkreise
liegende Sättigungsdrossel (Hauptdrossel) vorgesehen und das Spannungszeitintegral,
durch welches die Hilfsdrossel periodisch rückmagnetisiert wird, veränderbar ist.
Die Erfindung ermöglicht es, mit kleineren Steuerorganen anzukommen bzw. den Verstärkungsgrad
zu erhöhen und durch weitere Ausgestaltung besondere technische Aufgaben zu lösen,
wie weiter unten näher ausgeführt.
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Eine Reihe von Ausführungsbeispielen sind in der Zeichnung in den
Fig. 1, 3 und 5 dargestellt. Die Fig.2 und 4 enthalten Schaubilder zur Erläuterung
der Wirkungsweise.
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In Fig. 1 bedeutet T einen Transformator mit der Sekundärspannung
e (Hauptspannung). Er speist einen Arbeitsstromkreis mit beispielsweise rein ohmscher
Last R über eine Sättigungsdrossel D1 und ein Ventil V (Hauptventil). Die Drossel
D, ist vorzugsweise mit einem Ringbandkern ausgestattet. Ihre Magnetisierungskennlinie
soll im ungesättigten Gebiet möglichst wenig gegen die Flußachse geneigt sein, an
den Übergangsstellen vom ungesättigten Gebiet in die gesättigten Gebiete möglichst
scharfe Knicke aufweisen und in den gesättigten Gebieten möglichst parallel zur
Erregerachse verlaufen. Ihre Remanenz soll nahe der Sättigungsinduktion liegen.
Eine derartige Kennlinie, die häufig als Rechteckschleife bezeichnet wird, ist beispielsweise
in Fig.2 dargestellt. Windungszahl und Kernquerschnitt der Sättigungsdrossel werden
so ausgelegt, daß sie bereits bei einem verhältnismäßig kleinen Wert des Laststromes
voll gesättigt ist. Nach Fig. 1 ist ein Hilfsstromkreis, der zur Rückmagnetisierung
der Sättigungsdrossel während der Sperrzeiten des Hauptventils V dient, zwischen
den Punkten r und 7' des Arbeitsstromkreises angeschlossen. Er kann auch zwischen
den Punkten r und Y' angeschlossen sein. Der Hilfsstromkreis enthält ein Ventil
V,. (Hilfsventil). Der im Hauptstromkreise fließende Strom ist mit is und der im
Hilfsstromkreise fließende Rückmagnetisierungsstrom mit i; bezeichnet. Der
Stromweg über TTr und RS wird weiter unten näher betrachtet. In Fig. 2 ist zur Erläuterung
der Wirkungsweise die Magnetisierungskennlinie in Abhängigkeit von der Erregung
aufgetragen. Bei gegebener Drosselgröße kann als Erregung die Durchflutung in
AMT zugrunde gelegt
werden, die Ordinatenwerte können in
Einheiten der Induktion B (Gauß) oder des Flusses O (Maxwell) oder des Spannungszeitintegrals,
das im Zeitdiagramm Fig. 4 als Fläche F (Vsec) erscheint, abgelesen werden. Zur
Erläuterung der Wirkungsweise wird davon ausgegangen, daß sich die Drossel Dl in
einem dem Punkte A entsprechenden Magnetisierungszustande befindet. In der Durchlaßrichtung
des Hauptventils h, die als positiv angesehen werde, durchläuft die Drossel D1 den
steilen Teil der Kennlinie von A nach C. Die Wechselspannung e liegt zunächst praktisch
ganz an der Drossel. Dadurch wird aus der positiven Spannungshalbwelle gemäß Fig.
4, welche unter anderem den Verlauf der Spannung e in Abhängigkeit von der Zeit
t zeigt, eine Fläche FA herausgeschnitten. Bezeichnet n die Windungszahl der Drossel
D1 und AOAC die Flußänderung zwischen den Punkten A und C, so ist FA=zzA0AC
(Vsec).
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Nach Erreichen des Sättigungszustandes bei C springt der Laststrom
auf den Wert i, _ . Der Mittelwert der am Widerstand R herrschenden Gleichspannung
ist Egm= f (FH-FA). Hierbei ist f die Frequenz der Wechselspannung
in Hz und FH die Fläche einer Halbwelle, ebenso wie FA in Vsec ausgedrückt. Der
Mittelwert des abgegebenen Stromes ist hm = R (FH - FA). Beim Nullwerden
des Stromes i, im Punkt E behält die Induktion den Sättigungswert BS. Ohne den Rückmagnetisierungskreis
r-s' würde dieser Zustand der Drossel Dl während der negativen Spannungshalbwelle
erhalten bleiben, so daß die Drossel von der nächsten positiven Spannungshalbwelle
im gesättigten Zustand angetroffen werden würde. Demgegenüber bewirkt der Hilfskreis
r-r' in der negativen Halbwelle eine Rückmagnetisierung der Drossel Dl. Nach Fig.
1 ist in diesem Rückmagnetisierungskreise eine Sättigungsdrossel D2 (Hilfsdrossel)
mit dem Ventil V,. in Reihe geschaltet. Die Hilfsdrossel Dz kann vorzugsweise von
derselben Art sein wie die Hauptdrossel D1, jedoch bedeutend kleiner. Sie braucht
nur für den Magnetisierungsstrom i,. der Hauptdrossel bemessen zu sein. Auf jeden
Fall muß die Hilfsdrossel D2 einen kleineren Magnetisierungsstrom haben als die
Hauptdrossel Dl. Die Hilfsdrossel D2 nimmt die Differenz der Spannungsflächen
(FH - FA) auf. Da die Spannungsfläche (FH - FA) auch am Lastwiderstand
R erscheint, ist die Rückmagnetisierung der Drossel D2 über einen Hilfsstromkreis
mit einem Ventil VT und einem Steuerwiderstand RS möglich. Dieser Hilfsstromkreis
ist zum Arbeitskreis der Hilfsdrossel mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel
geschaltet. Wegen der Wirkspannungsverluste wird die Rückmagnetisierung der Drossel
D2 vorteilhaft mit einer niedrigeren Windungszahl vorgenommen als die Magnetisierung
in Vorwärtsrichtung. Infolgedessen kann der Rückmagnetisierungskreis der Hilfsdrossel
D2, wie gezeichnet, an seine Anzapfung derselben in Sparschaltung angeschlossen
sein. Der Steuerwiderstand RS kann nun wieder durch eine Sättigungsdrossel mit besonderem
Rückmagnetisierungskreis ersetzt werden. Man erhält auf diese Weise eine Kaskadenanordnung
mehrerer Hilfsdrosseln derart, daß jeweils die nachgeordnete Hilfsdrossel die Rückmagnetisierung
der vorgeordneten steuert.
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In der Anordnung nach Fig.1 kann die Steuerung statt durch Veränderung
des Widerstandes RS auch durch eine Reihe wählbarer Anzapfungen der Hilfsdrossel
D, bewirkt werden. Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung mit zweistufiger Verstärkung,
die eine besonders kurze Zeitkonstante aufweist. Die Hilfsdrossel D2 wird hier mittels
einer Zusatzspannungsquelle rückmagnetisiert, die der im Hilfsstromkreis wirksamen
Hilfswelle der Hauptspannung entgegenwirkt. Wird dazu beispielsweise gemäß Fig.
3 eine besondere Wicklung T3 des Haupttransformators verwendet, so kann die Hilfsdrossel
D2 mit der voll-en Wechselspannung rückmagnetisiert werden. Hierbei tritt an der
Drossel D2 eine Spannung in Richtung des Ventils V, auf, so daß sich ohne weitere
Maßnahmen ein störender Kreisstrom über die Last R schließen würde. Zur Unterbindung
dieses Kreisstromes wird in den Rückmagnetisierungskreis der Hauptdrossel eine unsymmetrische
Wechselspannung eingeführt, deren Halbwellen verschieden hohe Amplituden haben.
Zu diesem Zweck wird eine an einem Widerstand R" erzeugte Zusatzspannung e, verwendet,
die mittels einer Hilfswicklung TZ des Haupttransformators und eines Doppelweggleichrichters
G, gewonnen werden kann. Diese Zusatzspannung e, wird in der negativen Halbwelle,
in der die Spannungsrichtung mit der Durchlaßrichtung des Ventils V,. übereinstimmt,
von der in einer besonderen Transformatorwicklung T2 erzeugten Speisespannung e2
des Rückmagnetisierungskreises der Hauptdrossel abgesetzt. Die Spannung e2 wird
vorteilhaft um so viel höher gewählt als die von: der Hauptwicklung T1 gelieferte
Spannung ei, daß die resultierende Spannung I e2 eZ 1 in der negativen
Halbwelle gerade wieder gleich der Spannung Je,_ 1 ist. In der positiven
Halbwelle addieren sich die Absolutwerte der beiden Spannungen e2 und eZ, so daß
das Ventil TV,. für eine entsprechend höhere Spannung zu bemessen ist. Der Verlauf
der verschiedenen Spannungen ist in Fig. 4 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.
Der Zweck und die Wirkung der beschriebenen Schaltung ergeben sich aus den in der
dritten Halbwelle dieses Schaubildes dargestellten Kurven der Potentialverteilung.
Das Potential des Punktes Q muß niedriger sein als das Potential des Punktes r,
damit kein die Hilfsdrossel D2 belastender Strom auftreten kann. Dies ist durch
die beschriebene Schaltung auch für den ungünstigsten Fall durch passende Wahl der
Windungszahlverhältnisse vermeidbar.
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Bei Verwendung mehrerer gleicher Magnetverstärker in einer Schaltung
der beschriebenen Art kann die Hilfsspannung e2 ± e, für die verschiedenen
Verstärker gemeinsam erzeugt werden,- wie Fig. 5 beispielsweise für eine regelbare
Beleuchtungsanlage zeigt.
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Der Rückmagnetisierungskreis der Sättigungsdrossel D1 kann. ferner
als Zeitkreis derart ausgebildet sein, daß die Rückmagnetisierung während einer
wählbaren Zahl von Halbwellen gesperrt werden kann. Zu diesem Zweck kann im Rückmagnetisierungskreis
ein an sich bekanntes T-Relais (Telegrafenrelais) angeordnet sein, welches den Rückmagnetisierungskreis
nach der Schließung des Hauptkreises erst mit einer Verzögerung von mehreren Wechselspannungsperioden
für den Stromdurchfluß freigibt. Während dieser Verzögerungszeit bleibt infolgedessen
die Hauptdrossel D1 gesättigt, so daß die volle Spannung am Verbraucher wirksam
ist, bis die Rückmaggnetisierung einsetzt. Danach fließt bei voller Rückmagnetisierung
der Hauptdrossel kein Strom mehr durch den Verbraucher. Wird jedoch eine der beschriebenen
Steueranordnungen für den Rückmagnetisierungskreis damit vereinigt, z. B. Steuerwiderstand
entsprechend RS in Fig. 1 oder eine Hilfsdrossel entsprechend D2 in den Fig. 1 und
3, so kann nach Ablauf der Verzögerungszeit mit verminderter
Rückmagnetisierung
gearbeitet werden, wobei dann der Verbraucher auch weiterhin Strom aufnimmt, jedoch
mit verringertem Effektivwert.
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Statt eines T-Relais od. dgl. kann als Hilfsdrossel eine sogenannte
Zähldrossel im Rückmagnetisierungskreis vorgesehen sein. Eine derartige Schaltung
zeigt beispielsweise Fig. 6, wobei die Überbrückung des Ventils h,. durch den Widerstand
R, zunächst außer Betracht bleiben möge. Die Zähldrossel Z ist eine Sättigungsdrossel
mit vorzugsweise Rechteckschleife, zu deren vollständiger Ummagnetisierung vom gesättigten
Zustand in den Zustand entgegengesetzter Sättigung mehrere (z) Halbwellen einer
an ihr liegenden Wechselspannung erforderlich sind, und die infolgedessen bis zu
z Halbwellen der Spannung in Durchlaßrichtung eines in Reihe liegenden Ventils zu
sperren vermag, wenn sie in ungesättigtem Zustand eingeschaltet wird. Geschieht
letzteres im Rückmagnetisierungskreis der beschriebenen Steuerungsordnung, z.B.
gemäß Fig.6, zugleich mit der Einschaltung des Hauptstromkreises, so werden :entsprechend
der sogenannten Zählzahl z der Zähldrossel von der Hauptdrossel z positive Halbwellen
hindurchgelassen. Von der nächsten positiven Halbwelle (z -!- 1) an ist die Zähldrossel
gesättigt und läßt die Rückmagnetisierungsimpulse für die Hauptdrossel D1 durch,
so daß diese dauernd gesperrt bleibt. Dadurch wird also die Abgabe einer genau definierten
Strommenge (Asec) ermöglicht.
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Der Transformator kann an Stelle einer Sinusspannung auch Impulse,
vorzugsweise solche von gleichbleibender Spannungsfläche, liefern, wenn er nämlich
nach Art eines Schaltwandlers ausgeführt ist. Die Anordnung wird dann zu einem Zähldro,ss!elv
erstärker.
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Die Zähldrossel Z ist gemäß Fig. 6 mit Anzapfungen versehen, damit
die dem Verbraucher zugeführte Strommenge eingestellt bzw. verändert werden kann.
Je höher die hiernach zur Wirkung kommende Windungszahl der Zähldrossel ist, um
so größer ist die Zählzahl z. Einige der niedrigsten .einstellbaren Windungzahlen
können beispielsweise so gewählt werden, daß die Zählzahl z kleiner als 1 wird.
Wesentlich für die Wirkungsweise ist die Bedingung, daß auch bei Benutzung der kleinsten
Windungszahl der Zähldrossel Z ihr Magnetisierungsstrom kleiner bleibt als der Magnetisierungsstrom
der Hauptdrossel D1. Es muß also, wenn für beide Drosseln die gleiche Eisensorte
verwendet wird, ZZ/n, man kleiner sein als 117n1, worin 1i und ZZ die mittleren
Eisenlängen der Drosseln D1 bzw. Z und ni bzw. n, ,n =R die entsprechenden Windungszahlen
sind. Die auf eine derartige Anzapfung eingestellte Zähldrossel bedarf zu ihrer
Rückmagnetisierung nur eines Teiles einer einzigen Spannungshalbwelle, so daß dann
die Hauptdrossel D1 ebenfalls nur von der folgenden positiven Halbwelle einen Bruchteil
durchläßt, der dem Verbraucher R zugeführt wird. Die Anordnung eignet sich daher
für Widerstandsschweißmaschinen, Stoßmagnetisierungseinrichtungen u. dgl., die kurzzeitig
während eines Teiles einer Halbwelle bis zu mehreren Perioden eingeschaltet werden
sollen. Bisher wurde das Ein- und Ausschalten solcher Einrichtungen durch mechanische
Schalter oder durch gesteuerte Stromrichter vorgenommen. Diese bekannten Einrichtungen
sind jedoch wegen ihrer mehr oder weniger begrenzten Lebensdauer nachteilig. Demgegenüber
werden die gleichen Schaltaufgaben mit der zuletzt beschriebenen Anordnung im wesentlichen
mit ruhenden Teilen,, nämlich Sättigungsdrosseln und Trockengleichrichtern, durchgeführt,
die fast gar keinem Verschleiß unterworfen sind, bei denen also mit erheblich größerer
Lebensdauer und geringerer Störanfälligkeit gerechnet werden kann.
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Damit die Abgabe begrenzter Strommengen wiederholt werden kann, muß
die Zähldrossel .entweder rückmagnetisiert oder umgeschaltet werden. Zur Ummagnetisierung
dient nach Fig. 6 ein Rückstellkreis, der beispielsweise an eine Hilfswicklung der
Zähldrossel angeschlossen ist und von der Netzspannung über ein Ventil V' und einen
Steuerdruckknopf S gespeist wird.
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In Fig. 7 ist eine Steuerungsanordnung für eine Widerstandsschweißmaschine
dargestellt, bei der die Zähldrossel Z mit zwei in entgegengesetzten Richtungen
magnetisierend wirkenden und mit regelbaren Anzapfungen versehenen Wicklungen ausgestattet
ist. Durch einen Umschalter S' kann hier wählweise die eine der beiden Zähldrosselwicklungen
und nach Eintritt der Sättigung in dieser Richtung die andere Zähldrosselwicklung
zur Wirkung gebracht werden. Statt dessen kann auch eine Zähldrossel mit einer einzigen
Wicklung und einem doppelpoligen Umschalter verwendet werden. Der Umschalter S'
wird beispielsweise mittels eines Relais Re betätigt, das über einen Impulsschaltwandler
SW und eine Gleichrichterweiche Q gesteuert wird. Der Impulsschaltwandler SW kann
von der Netzspannung über einen Gleichrichter W und einen Kipptaster Ta gesteuert
werden. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, daß nur in derjenigen Halbwelle geschaltet
wird, in welcher der Rückmagnetisierun:gskreis stromlos ist, und daß nur ein einziger
Impuls jeweils das Relais betätigt. Derartige Schaltungen sind aus der Impulsschaltertechnik
bekannt. Der Laststrom fließt über die Schweißelektroden SE bzw. vor deren Schließung
über eine Grundlast R, Zur Erläuterung der Wirkungsweise dient das Schaubild Fig.
8, in welchem die Spannung e und der über die Hauptdrossel D1 fließende Strom i,.
(in Vorwärtsrichtung) bzw. i,. (rückwärts) in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt
sind. Stellt man sich in der Anordnung nach Fig. 7 die Zähldrossel Z zunächst gesättigt
vor, so fließt der relativ niedrige Magnetisierungsstrom der Hauptdrossel D1 in
der positiven Halbwelle über das Hauptventil V und in der negativen Halbwelle über
das Hilfsventil V,. und die Zähldrossel. Nach Umlegen des Kipptasters Ta
z. B. im
Zeitpunkt t1 legt das Relais Re den Schalter S' z. B. im Zeitpunkt
t2 um, so daß die Zähldrossel Z umgepolt im Rüclnnagnetisierungskreis liegt.
Die nächste in Richtung des Hilfsventils VT laufende (negative) Spannung shalbwelle
entsättigt die Zähldrossel Z und ruft daher einen Strom i, in Höhe ihres Magnetisierungs-stromes
hervor, der voraussetzungsgemäß nicht dazu ausreicht, die Hauptdrossel D1 zurückzumagg°netisieren.
Die folgende Spannungshalbwelle (positiv) findet daher die Hauptdrossel D1 gesättigt
vor und erzeugt eine Stromhalbwelle i von voller Höhe, die durch die Spannung e
und die Impedanz des Verbraucherkreises gegeben ist.
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Je nach der benutzten Anzapfung der Zähldrossel bzw. ihrer damit eingestellten
Zählzahl z ergeben sich ein oder mehrere, nämlich z Stromimpulse voller Höhe. Auch
hier können, wie schon zu Fig. 6 erwähnt, kleinere Impulse, die nur von einem Teil
einer Spannungshalbwelle (z G 1) getrieben werden, mittels geeigneter Anzapfungen
der Zähldrossel eingestellt werden. Für die Gestaltung und Folge der Impulse ergeben
sich ferner die verschiedensten Möglichkeiten unter Benutzung an sich bekannter
Schalt- und Steuermittel.
Es lassen sich damit nach Wunsch und Bedarf
beliebige Programmsteuerungen verwirklichen.
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Für die Zähldrossel können ferner zur Erhöhung ihrer Zählzahl Schaltungen
benutzt werden, durch welche die Ummagnetisierung im Pilgerschritt, d. h. abwechselnd
um einen Betrag vorwärts und um einen kleineren Betrag rückwärts schreitend, bewirkt
wird, indem ihr Spannungsimpulse (Vsec) wechselnder Richtung und verschiedener Größe
zugeführt werden. Auf diese Weise wird eine längere Verzögerungszeit und eine Erweiterung
des Regelbereiches ohne Verwendung -einer größeren Zähldrossel erzielt. Solche Pilgerschrittschaltungen
bestehen im wesentlichen aus einer Parallelschaltung zweier Erregerkreise der Zähldrossel,
die voneinander hinsichtlich Stromdurchlaßrichtung und Stromdurchlässigkeit oder
Anzahl der in ihnen enthaltenen Drosselwindungen verschieden sind, oder aus einer
Parallelschaltung zweier verschiedener Zähldrosseln oder zweier gleicher Zähldrosseln
mit zusätzlichem Differenzelement. Als einfache Ausführungsform ist in Fig. 6 eine
Überbrückung des Hilfsventils h,. durch; einen entsprechend abgestimmten, gegebenenfalls
regelbaren Widerstand R, angegeben, die mittels eines Schalters S, unterbrochen
werden kann. Es können noch weitere bekannte Pilgerschrittschaltungen für die vorliegende
Steuerungsanordnung benutzt werden.
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Die beschriebenen Anordnungen sind auch noch in anderer Hinsieht erweiterungsfähig.
Zur Vermeidung der Sättigung des Haupttransformators kann beispiels-weise eine Schaltung
mit abwechselndem Richtungswechsel der Impulse gewählt werden.