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Regelvorrichtung, bei der die Regelung mit Hilfe von Hochleistungsimpulsen
erfolgt Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung, bei der die Regelung mit Hilfe
von Hochleistungsimpulsen erfolgt, deren Dauer sich mit der Größe des Eingangsfehlersignals
ändert, mit einem statischen Vorverstärker und einem statischen, in Kaskade geschalteten
Leistungsverstärker, welch letzterer durch eine positive Rückkopplung eine bistabile
Arbeitsweise besitzt, wobei eine negative Rückkopplung zwischen dem Ausgang der
Vorrichtung und dem Vorverstärker vorgesehen ist, so daß der Leistungsverstärker
zwischen seinen stabilen Zuständen hin- und herkippt.
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Eine derartige Regelvorrichtung ist beispielsweise aus der Siemens-Zeitschrift,
Jg. 1957, Heft 10;11, S. 505 bis 509, bekannt. Bei -der dort beschriebenen Regelvorrichtung
wirken die positive und die negative Rückkopplung vom Ausgang des Leistungsverstärkers
auf den Eingang des Vorverstärkers. Dabei: muß die negative Rückkopplung wenigstens
ebenso groß sein wie die positive Rückkopplung, um Stabilitätsbedingungen zu erhalten.
Dies hat zur Folge, daß eine Nachjustierung oder Neueinstellung einer der beiden
Rückkopplungen notwendigerweise eine ähnliche Nachjustierung der anderen Rückkopplung
erfordert. Dies stellt ein nicht einfaches Problem dar, insbesondere wenn man versucht,
einen linear arbeitenden Verstärker aufzubauen.
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Auch aus der Druckschrift der Firma Giesenhagen-KG, München, »Transduktoren,
Bausteine moderner Regelungstechnik«, erschienen im Eigenverlag im April 1956, ist
auf den Seiten 19 und 20 eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine positive
Rückkopplung vorgesehen ist, die durch den auf den Leistungsverstärker einwirkenden
Laststrom verursacht wird. Das gleiche gilt auch für die aus der USA.-Patentschrift
2164 383 bekannte Magnetverstärkerschaltung, wie sie insbesondere in den Fig. 4
und 5 dargestellt ist. Eine solche positive Rückkopplung ist auch bei der in der
Siemens-Zeitschrift gezeigten Schaltung benutzt worden, bei welcher die Endverstärker
in sich so stark rückgekoppelt sind, daß ihr Ausgangsstrom nur zwei stabile Werte
annehmen kann: Maximalstrom und Minimalstrom. Bei dieser bekannten Schaltung wird
die negative Rückkopplung von Relaiskontakten abgegriffen und der Vorstufe zugeführt.
Jeder Leistungsverstärker arbeitet unmittelbar auf eine Relaiswicklung, und das
betreffende Relais betätigt über einen Arbeitskontakt weitere Geräte. Die magnetische
Kupplung zwischen der Relaiswicklung und dem Relaiskontakt ist mit einer Abzweigung
versehen, die an den negativen ; Rückkopplungskanal führt, welcher mit dem Eingang
des Vorverstärkers verbunden ist. Die Ausgangsglieder einer Regelvorrichtung müssen
häufig die augenblickliche Anwendung der vollen Belastung zulassen, wenn zufriedenstellend
gearbeitet werden soll. Es kann z. B. erforderlich sein, ein hohes Drehmoment anzuwenden,
um ein Ventil zu betätigen, und zwar wegen der auf das Ventil einwirkenden Kräfte
und wegen des hohen Drehmoments, das benötigt wird, um das Ventil fest auf seinen
Sitz zu pressen. Wenn die dem Ventilantrieb zuzuführende Kraft proportional zu einer
Fehlergröße, z. B. zu einer Temperaturdifferenz, sein soll, so muß diese Fehlergröße
so weit verstärkt werden, bis am Antrieb eine hinreichend große Kraft zur Verfügung
steht, um ein Drehmoment zu erzeugen, das zur Veränderung der Ventilstellung ausreicht.
Die Stabilität einer Vorrichtung dieser letztgenannten Art ist häufig unzureichend
in jenem Gebiet, in dem das Fehlersignal nicht kräftig genug ist, um den Antrieb
in Tätigkeit zu setzen. Der Bereich bzw. die tote Zone, in der das Fehlersignal
nicht in der Lage ist, den Antrieb in Wirkung zu setzen, ist veränderlich je nach
dem Drehmoment, das erforderlich ist, um das Ventil zu verstellen.
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Beim Gegenstand der auf denselben Erfinder zurückgehenden, am Tag
der Anmeldung noch nicht
veröffentlichten britischen Patentanmeldung
860 227 ist dieser übelstand dadurch vermieden, daß ein impulsmodulierter Ausgang
vorgesehen ist, der ein am Rand einer schmalen Totzone auftretendes Fehlersignal
aus einem Signal veränderlicher Amplitude in Leistungsimpulse veränderlicher Impulsdauer
umwandelt, die dem Geräteausgang, z. B. dem Ventilantrieb bzw. Ventilmotor, zugeführtwerden.
Schwache Fehlersignale die nur geringfügig außerhalb der Totzone auftreten, erzeugen
Leistungsimpulse kurzer Zeitdauer, die einen Ventilmotor hervorragend anlassen.
Mit wachsender Stärke des Fehlersignals nimmt die Impulsdauer der Leistungsimpulse
bei kürzer werdenden Impulsabständen zu, bis schließlich am Rand des Modulationsbandes
dem Geräteausgang ununterbrochen volle Leistung zugeführt wird.
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Bei der erwähnten Vorrichtung wird ein Magnetverstärker benutzt, welcher
Relais betätigt, die zusätzliche Kontakte für die Beeinflussung der Verstärkung
des Vorverstärkers besitzen. Die Erfindung jedoch vermeidet die Anwendung von Relais
oder anderen Bauelementen mit bewegten Teilen.
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Es wurde eingangs bereits erwähnt, daß auch eine Regelvorrichtung
bekannt ist, die einen Vorverstärker und einen in Kaskade geschalteten Leistungsverstärker
mit positiver Rückkopplung zwecks bistabiler Arbeitsweise besitzt, wobei vom Ausgang
des Systems eine negative Rückkopplung zum Vorverstärker führt, die desgen Verstärkung
abwechselnd verringert und erhöht, so daß der Leistungsverstärker zwischen seinen
stabilen Zuständen hin- und herkippt. Es wurde auch angeführt, daß bei dieser Vorrichtung
der Ausgang des Leistungsverstärkers auf Relais arbeitet, so daß diese Vorrichtung
bewegte Teile aufweist, die jedoch gemäß der Erfindung vermieden werden sollen,
wie oben erwähnt.
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Greift man die negative Rückkopplung unmittelbar am Ausgang eines
statischen Leistungsverstärkers ab, so ergeben sich gewisse Probleme, da der negative
Rückkopplungskreis nicht unabhängig von der Steuerung des Ausgangs ist. Eine solche
Unabhängigkeit ergibt sich bei der Verwendung von Relais mit einzelnen Kontakten,
die aber gerade vermieden werden sollen.
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Nach der Erfindung wird nun die negative Rückkopplung unmittelbar
vom Ausgang des Leistungsverstärkers an den Vorverstärker geführt, und im negativen
Rückkopplungskanal liegt eine Schwellenschaltung, die einen negativen Rückkopplungsstrom
nur oberhalb eines bestimmten Ausgangspegels am Leistungsverstärker hindurchläßt.
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An dieser Stelle sei bemerkt, daß es nicht ohne weiteres möglich ist,
die eingangs beschriebene bekannte, mit Relais arbeitende Schaltung so abzuwandeln,
daß eine unmittelbare Verbindung zwischen Leistungsverstärker und Vorverstärker
für die Gegenkopplung besteht. Versucht man, den über einen Relaiskontakt geschalteten
Gegenkopplungszweig durch eine feste Verbindung zu ersetzen, so ergeben sich zwei
Gesichtspunkte, die nicht ohne weiteres auf der Hand liegen: 1. Der Rückkopplungsstrom
kann eine dynamische Charakteristik aufweisen; 2. ein gewisser, wenn auch schwacher,
Rückkopplungsstrom wird auch dann fließen, wenn der bistabile Magnetverstärker sich
in seinem »Aus«-Zustand befindet. Der erste Fall tritt auf, wenn die Belastung des
Leistungsverstärkers aus einem Elektromotor besteht, der eine Gegen-EMK entwickelt.
Der zweite Gesichtspunkt ergibt sich aus der Tatsache, daß ein Magnetverstärker
am Ausgang niemals den Strom Null erzeugt. Auch in diesem Schaltzustand fließt noch
immer ein Strom, der etwa 511/o des Vollaststromes beträgt.
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An der Gegenkopplungswicklung des Vorverstärkers tritt also ein Gegenkopplungsstrom
auf, obwohl in dem betrachteten Zustand dieser Strom den Betrag Null annehmen sollte.
Nun muß aber noch in Betracht gezogen werden, daß das Gegenkopplungssi:gnal einmal
die eine und ein anderes Mal die entgegengesetzte Stromrichtung aufweist. Dieser
Tatsache wird gemäß der Erfindung dadurch Rechnung getragen, daß hier eine Schwellenschaltung
benutzt ist, die einen negativen Rückkopplungsstrom nur zustande kommen läßt, wenn
ein bestimmter Ausgangspegel am Leistungsverstärker überschritten wird.
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Hier sei angeführt, daß aus der USA.-Patentschrift 2 762 964 eine
Schaltung bekannt ist, bei der in dem negativen Rückkopplungskanal eine Schwellenschaltung
liegt. Bei dieser bekannten Regelschaltung i&t ein Gleichrichter als Element
zur Erzeugung einer Schwellenspannung einer bestimmten Wicklung parallel geschaltet
und bildet für diese Wicklung erst beim überschreiten der Schwellenspannung einen
Kurzschluß. Erst bei höheren Fehlerabweichungen tritt also der Kurzschluß für diese
Wicklung auf und damit eine Abschaltung der durch diese Wicklung hervorgerufenen
negativen Rückkopplung. Bei kleinen Fehlerabweichungen von der Sollspannung
erfolgt zunächst nur eine langsame Korrektur, indem die negative Rückkopplung voll
wirksam ist. Bei plötzlich auftretenden großen Fehlersignalen entfällt jedoch diese
Gegenkopplung, und die Anordnung regelt verhältnismäßig rasch auf den Sollwert ein.
Demgegenüber arbeitet eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung anders. Bei ihr
sind zwar -ebenfalls Dioden in den Stromlauf für die negative Rückkopplung eingeschaltet,
aber sie liegen nicht parallel zu der die Gegenkopplung bewirkenden Wicklung, sondern.
mit ihr in Reihe. Demzufolge ist auch ihre Wirkung ganz anders, denn beä einer Schaltung
nach der Erfindung arbeiten die erwähnten Dioden so, daß bei kleinen Fehlersignalen
die Gegenkopplungswicklungen noch nicht wirksam sind.
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Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung, bei der ein Gegentaktvorverstärker
und ein aus zwei Einzelverstärkern bestehender Leistungsverstärker vorgesehen sind,
von denen jeder für eine Stromrichtung des vom Vorverstärker gelieferten Eingangsstromes
bestimmt ist, enthält der negative Rückkopplungskanal zwei parallele Zweige, nämlich
je einen für jede Stromrichtung des Ausgangs, wobei jeder Zweig eine Diode in Reihe
mit einer Schwellenschaltung enthält.
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Bei einer solchen Anordnung ist es zweckmäßig, wenn die negative Rückkopplung
in jeder Richtung wirksam ist; daher ist es wünschenswert, da.ß der Strom in jeder
Richtung unterdrückt wird, bis er einen vorher bestimmten Wert erreicht hat.
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Von Vorteil ist es, Mittel zur Änderung der Verstärkung des Vorverstärkers
vorzusehen, die eine Zeitverzögerung enthalten, so daß seine Verstärkung ihre Grenzwerte
nichtlinear mit der Zeit annimmt. Handelt es sich um einen magnetischen Vorverstärker,
so
kann eine besonders einfache und zweckmäßige Zeitverzögerungsschaltung verwendet
werden, und gemäß einer Ausbildungsform der Erfindung enthält diese Schaltung eine
Wicklung, die auf dem magnetischen Verstärker angebracht ist und in einem geschlossenen
Kreis mit verhältnismäßig niedriger Impedanz liegt. Der geschlossene Kreis kann
eine einstellbare Impedanz enthalten.
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Bei einer Ausführungsform der Regelvorrichtung sind zwei oder mehrere
Ausgangsglieder vorgesehen, die mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers über je
ein Filter verbunden sind; diese Filter sind so beschaffen, daß sie verschiedene
Frequenzbereiche durchlassen und daß ein Ausgangsglied bei einem Eingangspegel und
ein anderes Ausgangsglied bei einem anderen Ausgangspegel wirksam wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile gehen aus der nachstehenden Beschreibung
zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsformen der Erfindung hervor.
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F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Regelvorrichtung nach der
Erfindung; F i g. 2 zeigt das Schaltbild einer Regelvorrichtung zur Bildung einer
Gleichstromlast; F i g. 3 zeigt das Schaltbild desjenigen Teils einer Abänderungsform
der Vorrichtung nach F i g. 2, der in dieser Figur mit gestrichelten Linien umrahmt
ist und zur Bildung einer Wechselstromlast geeignet ist; F i g. 4 zeigt in schematischer
Darstellung einen Raum, dessen Temperatur mit Hilfe der neuen Vorrichtung geregelt
werden soll.
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F i g. 5 a und 5 b zeigen die Übertragungskurven der Regelcharakteristiken
der ersten und zweiten Magnetverstärkerstufen nach F i g. 2; F i g. 6 zeigt den
typischen Verlauf der modulierten Gleichstrom-Impulsausgangsleistung; F i g. 7 zeigt
das Diagramm des Ausgangsstromes und der Frequenz; F i g. 8 ist das Blockschema
eines frequenzselektiven Gerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung.
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F i g. 1 zeigt das Blockschema eines Regelsteuergerätes mit impulsmodulierter
Ausgangsleistung, die einem Verbraucher zugeführt werden kann. Das Gerät enthält
einen Sollwertwähler 10 zur Auswahl des Bezugswertes, dem mittels des Gerätes eine
variable Größe anzugleichen ist. Die fragliche Größe wird mittels eines Fühlorgans
14 ermittelt und in einem »Komparator« 12 mit dem gewünschten Bezugswert verglichen;
der »Komparator« erzeugt ein Fehlersignal, das in Richtung und Größe der Differenz
zwischen der variablen Größe und dem Sollwert entspricht. Das Fehlersignal wird
einem Differential-Vorstufenmagnetverstärker 16 mit Gegentaktausgang zugeführt.
Diese Ausgangsleistung wird einem bistabilen magnetischen Kraftverstärker 18 zugeleitet,
mit dessen Hilfe ein Ausgangslastglied 20, z. B. ein Elektromotor, antreibbar ist.
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F i g. 4 zeigt schematisch die Verwendung des Gerätes zur Regelung
der Temperatur in einem Raum 22. Das Ausgangslastglied 20 besteht aus einer Antriebsvorrichtung
in Gestalt eines in zwei Richtungen arbeitenden Elektromotors mit geteilter Feldwicklung
24 und einem Anker 26, der auf ein Klappenventil 28 einwirkt. Dieses Ventil regelt
die Zufuhr einer Mischung aus heißer und kalter, durch Heiß- und Kaltluftleitungen
32 und 34 zugeführter Luft zu einer Leitung 30. Eine Entlüftungsleitung 36 dient
dazu, Luft aus dem Raum 22 entweichen zu lassen. Das Fühlorgan 14 .ist ein temperaturempfindliches
Instrument 38, z. B. ein; Thermostat, der auf die Raumtemperatur anspricht.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 sind der Sollwertwähler, der
»Komparator« und das Fühlorgan in einer Widerstandsbrücke zusammengefaßt, deren
einer Zweig von einem Thermostaten, z. B. dem :das Fühlorgan 14 bildenden Thermostaten
38, und von der ein zweiter Zweig von einem regelbaren Widerstand 10 gebildet wird;
letzterer ist der Bezugswähler. Die anderen beiden Zweige werden von einem Thermostaten
42 und einem gegen Wärme isolierten Thermostaten 44 gebildet, die in der Zuführungsleitung
30 (F i g. 4) angeordnet sind und im voraus durch Ausschalten der Unausgeglichenheit
in den Zweigen 10 und 14 die Temperaturextreme an der Leitungsmündung vermeiden.
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Die Eingangsklemmen der Brücke sind mit einer Gleichstrombrüekenspeisung
bzw. Spannungsquelle 46 verbunden, und zwar über einen von Hand regelbaren Widerstand
48, mit dessen Hilfe die noch zu erläuternde Totzone verändert werden kann. Wirts
durch Verkleinerung des Widerstandes 48 die an die Brücke angelegte Spannung erhöht,
so verengt sich diese Totzone, und umgekehrt.
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Es wird also zwischen ,den Ausgangsklemmen 40
der Brücke eine
Fehlersignalspannung erzeugt, deren Polarität und Größe der Differenz zwischen dem
tatsächlichen Wert und dem Sollwert der Raumtemperatur entspricht. Die Klemmen 40
sind unmittelbar mit einem Paar Steuerwicklungen 50 und 52 eines Gegentakt-Vorstufenmagnetverstärkers
16 verbunden. Der Wicklungssinn der Windungen ist derart gewählt, daß ein Anwachsen
der Signalspannung einer Polarität die Leistung des einen Verstärkers erhöht und
diejenige des anderen Verstärkers erniedrigt. Kehrt sich die Polarität des Eingangsfehlersignals,
das dem Verstärker 16 zugeführt wird, um, so ändert sich auch die Polarität der
Ausgangsspannung .dieser ersten Stufe, ohne daß es nötig wäre, besondere Schaltkreise
vorzusehen.
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Der Magnetverstärker weist Drosseln 54 und 56 n *t Ü selbstsättigendien
Zwillingskernen und Spannungswicklungen 51 bzw. 53 auf, die zwischen der Stromquelle
46 und Erde mit Vorspannungswiderständen 55 bzw. 57 in Reihe geschaltet sind.
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Die Drossel 54 hat Sekundärwicklungen 58 und 60, die in Zweigen einer
Gleichrichterbrücke 64 liegen, welche ihre Spannung aus einer Wechselstromquelle
62 .erhält. Entsprechend hat die Drossel 56 Sekundärwicklungen 66 und 68, de in
Zweigen einer Gleichrichterbrücke 72 liegen, welche ihre Spannung aus einer Wechselstromquelle
70 erhält.
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Die Ausgangsklemmen der Brücke 64 sind über einen Widerstand 74 und
diejenigen der Brücke 72 über einen Widerstand 76 miteinander verbunden. Die Widerstände
74 und 76 liegen in Reihe mit einem Paar Ausgangsklemmen 178 a und 179
a, so daß eine resultierende oder Differenzsignalausgangsspannung gebildet
wird, deren Pegel dem Eingang eines bistabilen Leistungsverstärkers zugeführt werden
kann.
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Die selbstsättigenden Drosseln 54 und 56 sind ferner mit negativen
Rückkopplungswicklungen 104 bzw. 106 sowie mit Verzögerungswicklungen 118 bzw. 120
versehen. Die Rückkopplungswicklungen werden, wie noch beschrieben wird, aus dem
Leistungsverstärker gespeist, während die Wicklungen
118
und 120 eine zeitliche Verzögerung der Einwirkung der negativen Rückkopplung
bewirken, so daß Impulse unterschiedlicher Dauer erzeugt werden, wie noch näher
dargelegt wird.
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Selbstverständlich kann,der Vorverstärker mehrere Stufen haben, je
nach der erforderlichen Verstärkung, die benötigt wird, um bei einem bestimmten
dem Vorverstärker zugeführten Fehlersignal dem bistabilen Leistungsverstärker eine
ausreichende Eingangsspannung zuzuführen. Es können auch Halbwellendrosseln an Stelle
der Gegentaktdrosseln 54, 56 zur Anwendung kommen, ohne daß sich an der Arbeitsweise
grundsätzlich etwas ändert; es müssen dann nur Halbwellen- statt Ganzwellenausgangsstufen
vorgesehen sein.
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Der Leistungsverstärker 18 besteht aus sättigungsfähigen Drosseln
86 und 88 mit Zwillingskernen und Steuerwicklungen 82 bzw. 84, die zwischen den
Ausgangsklemmen 178 a und 179 a des Vorverstärkers liegen. Jede Drossel
86 und 88 weist ein Paar Sekundärwicklungen 90, 92 bzw. 94, 96 auf, die ihre Spannung
von dem Mittenabgriff der Sekundärwicklung eines Leistungstransformators 98 erhalten
und die jede in Reihe mit einem Gleichrichter geschaltet sind, so daß die Drossel
86 einer Ausgangsklemme 177 a und die Drossel 88 einer Ausgangsklemme 181a eine
positive Ganzwellen-Ausgangsleistung zuführt. Jede dieser Ausgangsklemmen steht
über je eine Rückkopplungswicklung 100 bzw. 102 und eine der Feldwicklungen 24 des
Elektromotors mit einer Klemme des Ankers 26 in Verbindung, :dessen andere Klemme
geerdet ist. Die Leistungsdrosseln 86 und 88 sind ferner mit Spannungswicklungen
101 und 103 versehen, deren eine Enden an Erde liegen und deren andere Enden über
Widerstände 105 bzw. 107 mit der Spannungsquelle 46 verbunden sind.
Auf diese Weise werden in den Drosseln 86 und 88 negative magnetische Vorspannungen
erzeugt, die einzeln regelbar sind, so daß die gewünschten Regelcharakteristiken
für den Verstärker erhalten werden können. Der Wicklungssinn der Rückkopplungswicklungen
100 und 102 der Leistungsdrosseln 86 und 88 ist derart, daß .die Vorwärts-Rückkopplung
ausreicht, um den Verstärkern bistabile Eigenschaften zu verleihen.
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Wenn also der Steuerstrom in einer der Steuerwicklungen 82, 84 so
hoch ansteigt, daß Sättigung einsetzt und der Laststrom größer wird, so wird dieser
Laststrom, der durch die Rückkopplungswicklung 100 oder 102 fließt, die Sättigung
verstärken, so daß ein kumulativer Effekt entsteht. Aus einem Zustand maximaler
Impedanz bei kleinstem Laststrom. der als Abschaltungszustand bezeichnet werden
könnte, erfolgt ein plötzlicher übergang in einen Zustand minimaler Impedanz bei
größter Leistung, der als Einschaltzustand zu bezeichnen wäre. F i g. 5 b zeigt
die S-förmige übergangskurve, die für eine solche Anordnung charakteristisch ist.
In einem bestimmten Augenblick können also beide Drosseln 86 und 88 abgeschaltet
werden; in diesem Fall bleibt der Motor stehen. Oder die Drossel 86 kann
leitend und die Drossel 88 abgeschaltet sein; in diesem Fall läuft der Motor in
der einen Richtung um. Oder die Drossel 86 wird abgeschaltet und die Drossel
88 wirksam; dann dreht sich der Motor in entgegengesetzter Richtung. Infolge
der Bistabilität steigt der Leistungsstrom sehr rasch von einem sehr niedrigen Wert
bis zum Maximum an, so daß der Motor entweder mit voller Drehzahl umläuft oder sich
überhaupt nicht dreht. Die negative Zwischenstufen-Rückkopplung erfolgt vom Ausgang
des bistabilen Leistungsverstärkers 18 zum Eingang des Vorverstärkers 16. Zu diesem
Zweck liegen die Rückkopplungswicklungen 104 und 106 der sättigungsfähigen Vorstufendrosseln
54 und 56 in einem Kreis zwischen den Ausgangsklemmen 177a und 181a des Leistungsverstärkers.
In diesem Kreis liegt ein Paar paralleler Zweigleitungen 134 und 136, von denen
jede eine Zenerdiode 112, einen regelbaren Widerstand 110 und einen Gleichrichter
108 aufweist. Die beiden Gleichrichter sind entgegengesetzt geschaltet, so daß der
Rückkopplungsstrom in der einen Richtung unabhängig von demjenigen in der entgegengesetzten
Richtung eingestellt werden kann.
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Die Anordnung der Zenerdiode bewirkt, daß die Rückkopplung nur stattfindet,
wenn die abgegebene Spannung ein bestimmtes Niveau überschritten hat, nämlich jenes,
das der Sperrspannung der Zenerdiode, z. B. etwa 5 Volt, entspricht.
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Die Rückleitung für den Rückkopplungsstrom durch die Wicklungen 104
und 106 beim Leitendwerden einer der Leistungsdrosseln 86 und 88 erfolgt durch die
Rückkopplungswicklung der jeweils anderen Leistungsdrossel und die entsprechende
Feldwicklung des Motors. Wird also z. B. die Drossel 86 leitend, so fließt ein Strom
von ihrer Ausgangsklemme 177a durch die Rückkopplungswicklungen 104 und 106,
durch den Gleichrichter 108, den Widerstand 110 und die Zenerdiode der Zweigleitung
134 sowie weiter durch die Rückkopplungswicklung 102 der abgeschalteten Leistungsdrossel
88 zur Feldwicklung 24 des Motors und durch dessen Anker zur Erde. Die Stärke dieses
Stromes ist sehr klein im Verhältnis zum Leistungsstrom; letzterer kann z. B. 1
Ampere und der durch die abgeschaltete Drossel hindurchfließende Strom 10 Milliampere
betragen, während der Rückkopplungsstrom für die erste Stufe nur in der Größenordnung
von 1 Milliampere fließt.
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Die Wirkung der negativen Rückkopplungswicklungen 104 und 106 der
Drosseln 54 und 56 des Vorverstärkers wird durch die Verzögerungswicklungen 118
und 120 verändert, die im Nebenschluß mit regelbaren Widerständen 122 und 124 liegen
und mit ihnen Verzögerungskreise 114 und 116 bilden. Wenn also eine der Leistungsdrosseln
plötzlich leitend wird, so wird in den Verzögerungskreisen dadurch ein Strom induziert,
daß die Rückkopplungswicklungen 104 und 106 bestrebt sind, in den Vorverstärkerdrosseln
54 und 56 eine plötzliche Änderung des Stromflusses hervorzurufen; der in den Verzögerungskreisen
induzierte Strom hat das Bestreben, der plötzlichen Änderung des Stromflusses entgegenzuwirken,
so daß sie allmählich vor sich geht. Die Verzögerungskreise verzögern also zeitlich
die Sättigung und Entsättigung der Drosseln 54 und 56, ein Vorgang, der sich mittels
der regelbaren Widerstände 122 und 124 regeln läßt, so daß der zeitliche Abstand
aufeinanderfolgender Impulse verändert wird, wie noch zu beschreiben ist.
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Wirkungsweise der Gleichstromanordnung nach F i g. 2 Die Wirkung dieser
Anordnung läßt sich kurz wie folgt beschreiben: Liegt das von der Brücke 12 kommende
Fehlersignal unter einem bestimmten Grenzwert, entsprechend der Totzone, so ereignet
sich gar nichts. Ist
andererseits das Fehlersignal in einer Richtung
sehr groß, so wind die eine der Vorstufendrosseln 54 und 56 leitend, während die
andere abgeschaltet wird; die eine der beiden Leistungsdrosseln: 86 und 88
wird leitend und die andere abgeschaltet, so daß. der Motor ständig so lange in
einer Richtung angetrieben wird, wie das kräftige Fehlersignal anhält, Entsteht
hingegen ein starkes Fehlersignal in, entgegengesetzter Richtung, so werden die
andere Vorstufendrossel und die andere Leistungsdrossel leitend, und der Motor wird
dementsprechend ständig in entgegengesetzter Richtung umlaufen.
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Zwischen der Totzone und der Zone der starken Fehlersignale in beiden
Richtungen liegt ein Bereich, der als Modulationszone bezeichnet werden könnte.
Innerhalb. dieser Zone bewirkt ein Fehlersignal mittlerer Stärke, daß die eine der
Leistungsdrosseln pulsierend leitend bzw. abgeschaltet wird, so daß dem Motor eine
Reihe vorn Impulsen. zugeführt wird und dieser sich schrittweise bewegt.
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Liegt das Fehlersignal am unteren Rand der Modulationszone,. dicht
neben der Totzone" so werden die leitenden Impulse im Verhältnis zu den Impulsabständen
sehr kurz. Mit stärker werdendem Fehlersignal nimmt die Impulsdauer zu, bis am oberen
Rand der Modulationszone die Impulse lang anhaltend und die Impulsabstände sehr
klein geworden sind.; am Ende der Modulationszone verschwinden die Impulsintervalle
vollständig, die eine Leistungsdrossel ist ständig leitend, und der Motor läuft
ununterbrochen..
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Die Art und Weise, wie sich dieser Vorgang abspielt, kann an. Hand
der F i g. S a. erklärt werden, in der die Leistungsströme 1o des magnetischen Vorverstärkers.
als Ordinate und die Eingangsströme 1c als Abszisse aufgetragen, sind. Die Spannung
ist so gewählt, daß für gewöhnlich bei keiner negativen Rückkopplung der Anstieg
des. Leistungsstromes der einen sättigungsfähigen Drossel. auf demselben Bereich
der Eingangsleistung erfolgt wie der Abfall des Leistungsstromes der anderen. sättigungsfähigen
Drossel., wie dies die Kurven 138 und 140 zeigen. Der kombinierte Leistungsstrom,
d. h. der Eingangsstrom der Leistungsstufe, wird dann durch die steile Kurve 142
angegeben. Die Einführung eines bestimmten Maßes. negativer Rückkopplung verschiebt
die Kurve 138 nach links in die mit 144 bezeichnete Lage und die Kurve
144 nach rechts in die Lage 146. Unter diesen Verhältnissen wird- die kombinierte
Ausgangsleistung durch. die weniger steile Kurve 148 veranschaulicht. Kommt eine
stärkere negative Rückkopplung zur Einwirkung, so entsteht ein Spalt zwischen der
ansteigenden Leistungskurve der einen Vorstufiendxossel und der abfallenden Leistungskurve
der anderen Vorstufendrossel, so daß die bei 148a eingezeichnete Kurve entsteht.
Es sei angenommen, daß die negative Rückkopplung auf einen solchen Werk eingestellt
ist, daß diese Kurve entsteht.
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Es leuchtet ein; daß die negative Rückkopplung einfach die Wirkung
hat, daß der Vorverstärker weniger empfindlich wird, so daß eine größere Eingangsleistung
benötigt wird,. um eine bestimmte Ausgangsleistung zu erzeugen. Diejenige Ausgangsleistung,
bei der eine Leistungsdrossel beginnt, leitend zu werden,. ist in F i>g. S a durch.
die horizontale Linie »Ein« bezeichnet. Derjenige Strom andererseits, bei dem eine
Drossel aufhört, leitend zu sein, ist durch die Linie. »Aus« gekennzeichnet. Dort,
wo die »Ein«-Linie die Kurve 142 schneidet= liegt die Grenze zwischen der Totzone
und der Modulationszone. Dis Kurve 142 kennzeichnet also den am meisten empfindlichen
Zustand des Verstärkers. Liegt der Eingangsstrom unterhalb des erwähnten Schnittpunktes,
so reicht er nicht aus, um den Leistungsgleichrichter einzuschalten, auch wenn der
Verstärker sich in seinem meistempfindlichen Zustand befindet. Entsprechend kennzeichnet
der Schnittpunkt der »Aus«-Linie mit der Kurve 148a das obere Ende der Modulationszone.
Kein noch größerer Eingangsstrom läßt die Abschaltung des Leistungsverstärkers zu,
selbst wenn der Vorverstärker sich in seinem durch die Kurve 148a dargestellten
am wenigsten empfindlichen Zustand befindet, d. h. wenn die volle negative Rückkopplung
auf ihn zur Einwirkung kommt.
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Liegt der Wert der Eingangsleistung innerhalb der Modulationszone,
so liegt der entsprechende Punkt auf der Kurve 142 oberhalb der »Ein«-Linie
und: der entsprechende Punkt auf der Kurve 148a unterhalb der »Aus«-Linie. Das bedeutet,
daß sich der Verstärker in seinem empfindlichen Zustand, ohne. negative Rückkopplung,
befindet und der Strom ausreicht, um die entsprechende Leistungsdrossel einzuschalten.
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Befindet sich hingegen der Verstärker in sei=m am wenigsten, empfindlichen
Zustand, bei: einwirkender negativer Rückkopplung, so ist der Leistungsstrom. so
schwach, daß die Leistungsdrossel abgeschaltet wird.
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Wird davon: ausgegangen, daß die Leistungsdrossel abgeschaltet ist,
so wird der Leistungsstrom des Vorverstärkers durch einen Punkt auf der Kurve 142
gekennzeichnet; der Leistungsverstärker wird dann eingeschaltet und dem Vorverstärker
eine negative Rückkopplung zugeführt. Infolge der Einwirkung des Verzögerungskreises
steigt der Strom nur allmählich an, so daß der Leistungsstrom des Vorverstärkers
allmählich von einem Punkt auf der Kurve 142 in Richtung auf einen Punkt der Kurve
148a absinkt. Erreicht er die »Aus«-Linie, so wird der Leistungsverstärker sofort
abgeschaltet und damit der negative Rückkopplungsstrom unterbrochen. Auch hier wieder
wird der Strom infolge der Verzögerungswicklungen nur allmählich seinen Endwert
erreichen, so daß. die Ausgangsleistung des Vorverstärkers sieh allmählich der Kurve
142 nähert; ist die »Ein«-Linie erreicht, so wird die Leistungsdrossel wieder eingeschaltet..
Diese Drossel wird also abwechselnd an-und abgeschaltet, und: es werden mehrere
Leistungsimpulse dem Motor zugeführt.
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Es leuchtet ein, daß die Impulsdauer von der Größe des Fehlersignals
abhängt, d. h. von der Eingangsleistung. Zu Beginn und nach Beendigung eines jeden
Impulses beginnt die Ausgangsleistung des Vorverstärkers sich rasch zu ändern. Diese
Änderung nimmt mit Annäherung an den Grenzwert etwa exponentiell ab. Liegt also
die Eingangsleistung nahe dem unteren Rand der Modulationszone, so setzt die Ausgangsleistung
an einem Punkt der Kurve 142 ein, der dicht an der »Ein«-Linie liegt; da ihr Endwert
erheblich unterhalb der »Aus«-Linie liegt, wird die »Aus«-Linie sehr rasch erreicht,
so daß der Leistungsimpuls sehr kurz ist, wie bei 150 in F i g. 6 zu erkennen. Andererseits
wird die Leistung am Ende des- Impulses einen Grenzwert anstreben, der gerade oberhalb
der »Ein«-I.inie liegt; es wird also lange dauern, bis die »Ein«-Linie erreicht
ist, so daß der
Abstand der Impulse 150 verhältnismäßig groß ist;
wie gleichfalls F i g. 6 erkennen läßt. Liegt die Eingangsleistung in der Mitte
der Modulationszone, so sind die Impulse 152 und die Impulsabstände ungefähr gleich
groß (F i g.-6): Liegt die Eingangsleistung jenseits der Modulationszone und in
der Zone großer Fehlersignale, so bleibt die Leistungsdrossel ständig eingeschaltet,
wie bei 154 in F i g. 6 veranschaulicht.
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Hat das Fehlersignal entgegengesetzte Polarität, so hat auch die Ausgangsleistung
entgegengesetzte Polarität, wie bei 156 in F i g. 6 dargestellt.
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. F i g. 7 zeigt typische Kurven 130 und 132, die erkennen lassen,
wie die dem Motor als prozentualer Anteil seiner Nennleistung zugeführte mittlere
Leistung sich mit der regelbaren Veränderlichen als Prozentsatz eines bestimmten
Maximums ändert. Die Neigungen der Kurven können getrennt verändert werden, und
zwar durch Veränderung der Rückkopplung zwischen den Stufen mittels Änderung der
Werte der Widerstände 110. Verkleinerung des Widerstandes erhöht natürlich die Rückkopplung
und verringert die Neigung der Kurve mit der Tendenz, die Empfindlichkeit des entsprechenden
Magnetverstärkers zu vermindern.
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Ähnlich zeigen die Kurven 160 und 162, wie die Frequenz der Impulse
sich mit der gleichen regelbaren Veränderlichen ändert. Die Frequenzkurven sind
typische Betriebskurven, sofern die sättigungsfähigen Drosseln nicht in einem Bereich
arbeiten, in dem die etwa vorhandenen Nichtlinearitäten der Drosseln das Bestreben
haben, eine Verzögerung zu verursachen, oder im Stromkreis kompensiert sind. Aus
F i g. 6 ist zu erkennen, daß jede Frequenzänderung mit der zeitlichen Verkürzung
des Arbeitszyklus beim Übergang von den Impulsen 150 zu den Impulsen 152 in Übereinstimmung
stehen muß. Bei diesem Beispiel ist die Frequenz der Impulse 152 mehr als doppelt
so groß wie diejenige der Impulse 150.
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Es ist klar, daß immer nur jeweils ein Leistungsverstärker eingeschaltet
ist und die Drehrichtung des Motors davon abhängt, welche Leistungsdrossel arbeitet,
d. h. welche Feldwicklung erregt wird. Die elektromotorische Gegenkraft des Ankers
im Augenblick eines Impulsendes wird durch den Motor mittels eines Gleichrichters
158 b oder - je nach Polarität - eines Gleichrichters 158a abgeleitet.
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F i g. 3 zeigt eine Abänderungsform der Leistungsdrosseln, die so
angeordnet sind, daß sie eine Wechselstrom-Ausgangsleistung abgeben. Der Leistungsverstärker
hat zwei selbstsättigende, sättigungsfähige Drosseln 170 und 172, die einen Motor
174 versorgen; und tritt an die Stelle der in F i g. 2 mit gestrichelten Linien
80 umrahmten Teile. Die Klemmen 176,177,178,179;180 und 181 sind mit den entsprechenden
Klemmen 176 a, 177 a, 178 a, 179 a,
180 a und 181
a der verbleibenden Teile der F i g. 2 verbunden.
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Der Ausgang des in F i g. 2 dargestellten Vorverstärkers ist an Steuerwicklungen
183 und 184 angeschlossen, die so ausgebildet sind, daß ein Signal bestimmter Polarität
das Bestreben hat, die Kraftliniendichte im Kern der einen Drossel zu erhöhen und
im anderen zu verringern.
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Die Drosseln 170 und 172 weisen ferner Gleichstromspannungswicklungen
186 und 187 auf, von denen jede einseitig an Erde liegt, während die anderen Enden
der Wicklungen an Eingangsklemmen 176 bzw.180 angeschlossen sind, die mit der Spannungsquelle
46 über entsprechende Spannungswiderstände 105 bzw. 107 verbunden sind.
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Die Drossel 170 weist zwei mit getrennten Kernen versehene Leistungswicklungen
188 und 189 auf, die an eine Wechselstromquelle 192 angeschlossen sind. Jede der
beiden Wicklungen liegt in Reihe mit einem von paarweise angeordnete Gleichrichtern
194, und beide Wicklungen zusammen liegen in Reihe mit einem Widerstand 196 und
einer Feldwicklung 200 des Motors. Die Klemmen des Widerstandes 196 sind mit dem
Wechselstromeingang einer Gleichrichterbrücke 198 verbunden, deren Gleichstromausgangsklemmen
über einen Widerstand 202 mit einer Rückkopplungswicklung 190 der sättigungsfähigen
Drossel 170 in Reihe geschaltet sind. Die sättigungsfähige Drossel 172 weist
einen entsprechenden Leistungskreis auf, dessen einzelne Glieder die gleichen, jedoch
mit dem Indexbuchstaben »a« versehenen Bezugsziffern tragen.
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Die entgegengesetzten Enden der Feldwicklungen 200 und 200a sind durch
eine Gleichrichterbrücke 204 miteinander verbunden, deren Gleichstromausgangsklemmen
an die Klemmen 177 und 181 angeschlossen sind, so daß dem Vorverstärker, d. h. jenem
Kreis, der eine Zenerdiode 112, einen Widerstand 110, einen Gleichrichter 108 sowie
die Rückkopplungswicklungen 106 und 104 aufweist, eine Rückkopplung zugeführt wird.
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In diesem Fall fließt der Rückkopplungsstrom immer in der gleichen
Richtung, so daß nur einer der beiden Zweige 134, 136 benötigt wird. Aus F i g.
5 a ist zu erkennen, daß es auf die Richtung des negativen Rückkopplungsstromes
nicht ankommt. Die Kurve 142 entspricht dem meistempfindlichen Zustand des Verstärkers,
bei welchem die Zunahme des Leistungsstromes einer Drossel, dargestellt durch die
Kurve 138, in dem gleichen Bereich der Eingangsleistung erfolgt wie die Verringerung
der durch die Kurve 140 dargestellten Ausgangsleistung der anderen Drossel. Ein
Verschieben dieser beiden Kurven in entgegengesetzten Richtungen wird also immer
die Empfindlichkeit herabsetzen, und zwar gleichgültig, ob die- Kurve 138 nach links
in die Stellung 144 und die Kurve 140 nach rechts in die Stellung 146 oder in entgegengesetzten
Richtungen verschoben wird. In jedem Fall wird die Kurve 148 erreicht, wenn eine
Verschiebung in einem solchen Ausmaß erfolgt, der zu jenem benachbart liegt, in
dem die Ausgangsleistung der anderen Drossel abnimmt. Eine weitere Verschiebung
derart, daß eine bestimmte Eingangsleistung keine Wirkung ausübt, führt zu den Kurven
148a.
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Die Arbeitsweise der Wechselstromschaltanordnung nach F i g. 3 ist
also völlig analog derjenigen der Gleichstromanordnung nach F i g. 2. Es ist daher
unnötig, sie nochmals zu schildern; erwähnt sei nur, daß die Phase der Ausgangsleistung
sich mit der Polarität des Eingangsfehlersignals umkehrt, daß aber eine Gleichstromrückkopplung
zur Anwendung gelangt.
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Bei beiden Ausführungsformen brauchen. die Drosseln 54 und 56 keine
Ganzwellen-, sondern können Halbwellendrosseln sein mit doppeltem Direktausgang
über die Leistungswiderstände 74 und 76. Eine Ganzwellenausführung ist zu bevorzugen.
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F i g. 8 veranschaulicht eine frequenzselektive Anlage mit einem Regelgerät
210 der in den F i g. 1
und 2 veranschaulichten Art mit Frequenzcharakteristikkurven,
bei welchem eine Eingangsleistung, z. B. eine Quelle variabler Amplitudensignale,
d. h. etwa das Fehlerausgangssignal des Komparators 12, einem Magnetverstärker zugeführt
wird, der eine in der Frequenz in Abhängigkeit von den amplitudenveränderlichen
Fehlereingangssignalen veränderliche, verstärkte Ausgangsleistung liefert. Bandpaßfilter,
Hochpaßfilter und Tiefpaßfilter 212, 214 und 216 verbinden wahlweise den Ausgang
des Regelgerätes 210 mit einem oder mehreren Ausgangsgliedern 218, 220 und
222. Die Zeichnung zeigt eine gemeinsame Rückkopplungsleitung 224; es können
aber auch andere Rückkopplungsleitungen vorgesehen sein, wenn eine individuelle
Regelung der einzelnen Ausgangsglieder gewünscht wird.
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Ist das Filter 212 beispielsweise ein Tiefpaßfilter, so wird -es Impulse
niedriger Frequenzfolge dem Ausgangsglied 218 zuführen. Ist also die Amplitude des
Fehlereingangssignal klein, so wird die Ausgangsleistung dem Ausgangsglied 218 zugeführt,
wird aber von den Ausgangsgliedern 220 und. 222 durch die Bandpaß- und Hochpaßfilter
214 und 216 ferngehalten. Entsprechend wird die Ausgangsleistung bei höheren Eingangsamplituden
von dem Ausgangsglied 218 ferngehalten und dem Ausgangsglied 220 oder 222 zugeführt.