DE1438892A1

DE1438892A1 - Spannungsstabilisierungseinrichtung

Info

Publication number: DE1438892A1
Application number: DE19651438892
Authority: DE
Inventors: Aiken William Ross
Original assignee: AIKEN WILLIAM ROSS
Current assignee: AIKEN WILLIAM ROSS
Priority date: 1964-07-27
Filing date: 1965-07-24
Publication date: 1968-11-21
Also published as: US3325724A; GB1092129A

Description

inc. BERNHARD RICHTER - ·μ NURNBenö.'den 23. Juli 19ü5

Spitttertorgraben 17 PATENTANWALT · Telefon 6JO67

William Ross AIKEN, 10410 Magdalena Road, Los Altos Hills,

Californien USA 1438892

"Spannungsstabilisierungseinrichtung."

Die Erfindung betrifft eine Spannungsstabilisierungseinrichtung, d.h. Stromkreisanordnungen, die unabhängig von Änderungen der zu- f geführten Eingangsspannung stets eine gleichförmige Ausgangsspannung liefern. Bevorzugt betrifft sie Spannungsstabilisatoren oder -konstanthalter, die von einer Lichtquelle gesteuerte, lichtempfindliche Widerstände verwenden. Der Grad der Leuchtstärke dieser Lichtquelle ist bestimmt von und ändert sich mit der Signalspannung, die durch die Schaltungsanordnung hindurchtritt. Die in dieser Weise verursachten Änderungen der Leuchtstärke der Lampe haben wiederum Änderung des Widerstandes des lichtempfindlichen Elementes des Stromkreises zur Folge und zwar derart, daß ungeachtet der Änderungen in der Eingangsspannung des Signales die Ausgangsspannung des Kreises stabil gehalten wird.
I

Bei derartigen Anordnungen besteht das Problem, daß die Reaktion der Lichtquelle auf die Änderungen der Spannung des die Schaltung passierenden Signales und/oder die Reaktion des lichtempfindlichen Elementes auf die Änderungen der Lichtstärke oft zu langsam ist· Dies hat zur Folge, daß mit einer Änderung der Eingangsspannung

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die Höhe der Ausgangsspannung solcher Schaltungsanordnungen kurz um einen merklichen Betrag steigt oder fällt, bevor sich die Ausgangsspannung konstant in der gewünschten Größe einstellt.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine solche Spannungsstabilisierungsanordnung, welche die Kombination eines lichtempfindlichen Elementes mit einer Lichtquelle verwendet, so zu verbessern, daß trotz schneller und/oder wesentlicher Änderungen der Größe der Eingangsspannung eine wirklich gleichmäßige Ausgangsspannung geschaf-Jbi wird.

Weiterhin besteht die Aufgabe, bei einer derartigen Spannungsstabilisierungsanordnung eine stabile Ausgangsspannung zu erreichen, ohne daß dazu lichtempfindliche Widerstände und/oder Lampen einer besonders teuren Bauart erforderlich sind* Die Anordnung soll ferner bei Spannungen arbeiten, welche die Verwendung eines preisgünstigen Transistortyps erlauben.

Darüber hinaus besteht die Aufgabe, eine Stabilisierungsanordnung zur Schaffung einer gleichbleibenden Ausgangsspannung im Sinne der vorstehenden Ausführungen zu verbessern, vor allem mit einfachen Mitteln eine konstante Ausgangsspannung zu erreichen, wobei diese Anordnung mit einer Wertänderungsvorrichtung versehen ist, die ein veränderliches Widerstandselement und ein in einen Kraftstromkreis geschaltetes Gerät zur Steuerung dieses Widerstandes umfaßt. Ferner sind Mittel vorgesehen, um von dem die Wertänderungsvorrichtung durchlaufenden Signal eine Steuerspannung abzuleiten. Die Erfindung ist

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in erster Linie dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft- oder Arbeitsstromleitung ein Steuerelement besitzt, das auf die ihm zugeführte Steuerspannung anspricht und daß zwischen diesem Steuerelement und dem die Steuerspannung abgreifenden Mittel ein Differenzierungsglied angeordnet ist, das die Steuerspannung differenziert dem Steuerelement zuführt. Damit wird unter anderem erreicht, daß auch rasche und/oder starke Änderungen der Eingangsspannung ausgeglichen werden, d.h. keinen, zumindest keinen störenden Einfluß mehr auf die Ausgangsspannung haben.

Weitere Vorteile und Merkmale der ^findung sind der nachfolgenden Beschreibung und der dazugehörigen Zeichnung zu entnehmen, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1: In einem Blockschema das Prinzip der Erfindung,

wobei in den einzelnen Blocks typische Stromkreiselemente einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt sind,

Fig. 2: A-I: Diagramme der Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Stabilisierungseinrichtung,

Fig. 3: das Schaltschema einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

Die Stabilisierungsanordnung der Erfindung enthält in diesem Beispiel eine - allgemein ausgedrückt - variable Wertänderungsvorrichtung von der Bauart, die Bit einem lichtempfindlichen Widerstandseleaent versehen ist. In Fig. 1 wird diese Vorrichtung, gegebenen-

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falls auch ein Lautstärkenregler oder eine Vorrichtung zur Änderung der Lautstärke, durch den Block A dargestellt. Er ist ein variables Dämpfungsglied mit einem Spannungsverteilernetzwerk, das aus einem festen Widerstand 10 und dem lichtempfindlichen Widerstandselement besteht, die beide in Reihe zwischen dem Signaleingang 14 und Masse geschaltet sind. Die an diesem lichtempfindlichen Element entstehende Spannung kann an dem Verbindungspunkt 16 der Widerstände 10 und 12 abgenommen werden und erscheint in der Leitung 18 als das Ausgangssignal (Ausgangsspannung). Die Größe der in der Ausgangsleitung auftretenden Spannung hängt von den relativen Werten der beiden in Reihe liegenden Widerstände 10 und 12 ab. Sie ist groß (klein), sofern das Widerstandselement 12 im Vergleich zu den? V/iderstand IC groß (klein) ist. Um den tfiderstandswert des Elementes 12 zu ändern, wird es durch eine benachbart angeordnete elektrische Lampe 20 beleuchtet. Der Widerstandswert des Elementes 12 ist dabei umgekehrt proportional der Lichtstärke dieser Lampe. Um die Ausgangsspannung des Spannungsverteilernetzwerkes 10, 12 zu stabilisieren, wird die Lichtstärke der Lampe durch das dieses Netzwerk durchlaufende Signal wie folgt gesteuert: Die Lampe brennt heller, d.h. reduziert den '.»iderstandswert des Elementes 12 und die hieran entstehende Spannung, falls das dem Dämpfungsglied zugeführte Signal (Spannung) stärker wird. Umgekehrt verdunkelt sich die Lampe, wenn das dem Dämpfungsglied zugeführte Signal schwächer wird, womit der »i/iderstandswert des Elementes 12 ansteigt und sich die an ihm entstfehende Ausgangsspannung dementsprechend vergrößert.

Bei den gebräuchlichen Spannungskonstanthaltern dieser Art besitzt der Stromkreis der Lichtquelle üblicherweise ein den Stromfluß

r, η r\ ο r\ r, / η C / 1

steuerndes Element. Eine rektifizierte Steuerspannung, die von dem durch den Stabilisator hindurchgeführten Signal abgeleitet ist, wird diesem Steuerelement zugeführt, um den im Stromkreis der Lichtquelle fließenden Strom so zu ändern und damit eine solche änderung der Lichtstärke hervorrufen, daß die Änderungen der Spannung des Eingangs signales kompensiert und der Ausgang des Stabilisators auf den gewollten Wert zurückgeführt wird. Gemäß der Erfindung wird dem Steuerelement im Stromkreis der Lichtquelle eine zusätzliche 8teuerspannung zugeführt, wenn immer sich der ^etrag des Eingangssignales ändert, um je nach der Art dieser Änderung die Lichtquelle mit Über- oder % Unterspannung zu versehen und damit das Ausmaß der Änderung der Lichtleistung entsprechend zu vergrößern. Diese zusätzliche Steuerepannung wird dem genannten Steuerelement nur für die kurze Periode zugeführt, die für das Einstellen der Stärke der Lichtleistung auf den Betrag notwendig ist, der eine genaue Kompensierung der Spannungsänderung des zugeführten Signales bewirkt. Während die zusätzliche Steuerspannung wieder verschwindet, hält die in der konventionellen Weise erzeugte Steuerspannung die Leistung der Lichtquelle auf der für die Kompensation richtigen Höhe. In der Praxis kann dies dadurch bewerkstelligt werden, daß die in der üblichen Weise geschaffene

Steuerspannung sowohl durch einen Differenzierungskreis oder -kette, I oder -glied

als auch über einen Gleichspannungskreis /dem steuerelement zugeführt wird, daß sich in der Stromzuleitung der Lichtquelle befindet· Die AbgabeIeistung eines Differenzierungskreises ist proportional dem Grad der Änderung des zugeführten oignales. Damit wird also eine plötzliche Steuerspannung von kurzer Dauer geschaffen, welche in der Zeit verschwindet, in der die konventionell erzeugte Spannung in der üblichen Weise die gewünschte Änderung in der Funktion des EIe-

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mentes bewirkt hat. Von diesem Zeitpunkt an kann das Steuerelement von der konventionell erzeugten 3teuerspannung dauernd auf der Spannungshöhe gehalten werden, auf die es durch die AusgangsIeistung des Differenzierungskreises schnell angehoben, bzw. abgesenkt wurde.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird der durch die Lampe 20 fließende Strom von einer Steuer-, bzw. Treibstufe reguliert, die durch einen Block S dargestellt ist. Dieser Block kann einen Transistor 22 enthalten, dessen Emitter und Kollektor zwischen die Spannungsquelle 24 und Masse geschaltet sind· Der Stromfluß durch die Lampe und damit ihre Lichtstärke hängen von der Größe einer Steuerspannung ab, die der Basiselektrode des Transistors zugeführt wird. Um den Stromfluß durch die Lampe immer dann in der gewünschten Weise zu steuern, wenn sich der Betrag des dem Dämpfungsglied Δ zugeführten Signals ändert, wird ein Teil der in der Ausgangsleitung 18 auftretenden Wechselspannung des Gliedes A gleichgerichtet. Dieser Gleichrichter ist in der Zeichnung durch den Block R dargestellt.

Die gleichgerichtete Spannung wird der Basiselektrode eine· Transistors 26 zugeführt. Die Schaltung ist in Art einer Emitter-Folgerschaltung ausgeführt, um den Stromfluß von der GIeichspannungsquelle 24 her durch diesen Transistor entsprechend zu steuern. Jeder Strom, der auf Grund der Steuerung durch die sich ändernde, vom Gleichrichter R zugeführte Gleichspannung durch den Transistor 26 fließt, wird der Basis des Transistors 22 der ^teuerstufe S über das Differenzierglied D zugeleitet. Dieses Differenzierglied besitzt einen Widerstand 32 und einen dazu parallel geschalteten Kondensator 30. Die Teile 30,32 sind gemeinsam über einen weiteren Widerstand 34

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an Masse angeschlossen.

Die Wirkungsweise ist wie folgt:

Wenn die Größe oder Lautstärke eines dem Eingang des Dämpfungsgliedes A zugeführten Signales abrupt ansteigt, so hat dies ein entsprechendes Ansteigen der Ausgangsgröße dieses Dämpfungsgliedes in der Leitung 18 zur Folge. Ein Teil dieses Ausgangssignales (bzw. der Ausgangsspannung) wird an der Leitung 19 abgegriffen und von dem Gleichrichter R gleichgerichtet. Der Ausgang des Gleichrichters R wird dem Emitter-Folger F zugeführt, der im übrigen unnötig wäre, wenn ein teuerer Impedanz-Transistor, bzw. hochohmiger Transistor in dem Stromkreis der Lampe 20 vorgesehen würde. Der von dem Emitter des Transistors 26 gelieferte Spannungsanstieg wird der Basis des Tran sistors 22 durch die Parallelschaltung zugeführt, die aus der Differenzieranordnung 30, 34 und dem Widerstand 32 besteht, um somit den Stromfluß im Stromkreis der Lampe 20 zu steuern. Der Kondensator 30 läßt den Spannungsanstieg voll zur Basis des Transistors 22 durch und verstärkt damit die Leitfähigkeit dieses Transistors sprungartig für die kurze Zeit dieser änderung. Gleichzeitig wird die Erhöhung des Gleichstromflusses vom Transistor 26 über den Widerstand 32 der Basis des äteuertransistors 22 mit einem reduzierten Wert zugeführt, der von der Größe der Widerstände 32 und 34 abhängig ist. Während der über den Kondensator 30 der Basis des Transistors zugeleitete plötzliche Spannungsanstieg kurzzeitig wieder verschwindet, bleibt die £rhöhung der ^ateuerspannung, welche diese Basis über den Widerstand 32 und den Querwiderstand 34 erhält, als eine ständige Steuerspannung solange in Kraft, bis sich die Abgabespannung oder -leistung des Gleichrichters R infolge erneuter Ände-

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rungen in der Höhe des der Eingangsleitung 14 des Dämpfungsgiiedes A zugeführten Signales entsprechend ändert.

Sobald der Basis des Transistors 22 über den kondensator 30 eine schnell ansteigende Steuerspannung zugeführt wird, wächst die Leitfähigkeit dieses Transistors sehr rasch an, so daß der im Stromkreis der Lampe fließende Strom ebenfalls sehr rasch ansteigt und zwar auf einen Wert, der oberhalb den Betrages liegt, der für die Kompensierung der Zuname des zugeführten Signales notwendig ist. Während die durch den Kondensator 30 zugeführte 3teuerspannung bereits abgeklungen ist, hält die gleichförmige Vorspannung, die durch den Widerstand 32 hindurch zugeführt wird und an dem Widerstand 34 entsteht, die Leuchtstärke der Lampe auf dem Helligkeitswert, der für die Reduzierung des Widerstandes, des lichtempfindlichen Elementes auf das notwendige Maß erforderlich ist, um den Ausgangswert des Dämpfungsgliedes A stets auf seiner vorbestimmten Höhe zu halten.

Durch passende Auswahl der vom Transistor 26 gegebenen Spannung und durch entsprechende Wahl der Werte des Kondensators 30 und der Widerstände 32, 34 ist es möglich, bei Änderungen des empfangenen Signales derart schnell Änderungen geeigneter Größe des Lampenstromes zu erzielen, daß nicht nur die den billigeren Lampen eigentümliche Langsamkeit in der Reaktion auf Änderungen ihres Stromes kompensiert wird, sondern auch eine Kompensation der den billigeren lichtempfindlichen Widerstandselementen eigentümliche Langsamkeit in der Reaktion auf Änderungen der Lichtstärke erfolgt.

Im nachstehenden werden die Fig. 2A - 2 I erläutert. Das Diagramm der

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η η η η η η ί η C / 1 BAD

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Fig. 2A zeigt ein ankommendes Signal und ein plötzliches Ansteigen der Größe des Signalee. In Fig. 2B ist die dementsprechende Änderung in der Steuerspannung dargestellt, die in dem Emitter-Stromkreis des Transistors 26 vorhanden ist und von einem gleichgerichteten Teil

bzw. abgeleitet wurde,

des Signales herrührt,/das an der Ausgangsseite des Dämpfungsgliedes abgenommen worden ist. Fig. 2C zeigt den kurzen Spannungsanstieg, welcher der Basis des Steuertransistors 22 durch den Kondensator 30 zugeführt wird, während in Fig. 2D die Steuerspannung aufgezeichnet ist, welche die Basis des Transistors 22 durch den Widerstand 32 erhält. Aus Fig. 2Ξ ergibt sich die zusammengesetzte Spannung, welche der Basis des Steuertransistors 22 vom Oifferenzierkreis 30, 34 und dem Gleichstromkreis 32 zusammen zugeleitet wird. Die resultierende Änderung des im Kreis der Lampe 20 fließenden Stromes und die entsprechende Änderung in der Leuchtstärke der Lampe zeigt Fig. 2F· Im Gegensatz dazu enthält Fig* 2H die mehr allmähliche Änderung in der Leuchtstärke der Lampe 20, die entsteht, wenn die Änderungen des gleichgerichteten Ausgangssignales unmittelbar der Basis des Steuertransistors 22 zugeführt werden. Fig. 2H zeigt dabei eine Zunabne'in der Lichtstärke der Lampe, die zu zögernd ist, als daß sie eine genügende Stabilisierung des Ausgangssignales gewährleisten könnte. Mit der ausgeprägten Änderung in der Lichtstärke der Lampe 20 dagegen, wie sie durch die Anordnung nach der Erfindung erreicht wird, ist es nun möglich, den Wert eines Signales gleichförmig zu halten (siehe Fig. 2G) und zwar ungeachtet ausgeprägter und schneller Änderungen in der Stärke des Eingangssignales, das nämlich bei den vorbekannten Anordnungen ein Ausgangssignal gemäß Fig. 21 zur Folge hatte.

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Es hat sich gezeigt, daß die beschriebene Konstanthaltungsanordnung in einer unerwartet wirksamen Weise den Wert des Ausgangssignales (bzw. der Ausgangsspannung) stabilisiert, ohne daß in solchen Fällen eine spürbare Überkompensation eintreten würde, in denen der Wert des Eingangssignales so rasch und/oder so stark ansteigt, daß es anfänglich einen kurzzeitigen Überschuß im Betrag {bzw. der Lautstärke) des Ausgangssignales verursacht. Ein solcher Überschuß bewirkt, daß der Gleichrichter R ein besonders großes Steuersignal abgibt. Wenn dieses Signal der Basis des den Stromfluß steuernden Transistor 22 zugeführt wird, hat es einen derart starken Anstieg, bzw. Stoß dos Lampenstromes zur Folge, daß auch bei Verwendung einer Lampe von einer billigeren Bauart rasch eine Helligkeit erreicht wird, die grö-

ßer ist als diejenige Helligkeit, die man für die Beibehaltung des gewünschten Niveaus des Ausgangssignales benötigt. Obgleich dieses sehr schnelle Ansteigen der Leuchtkraft der Lampe und ihre Wirkung auf den lichtempfindlichen Widerstand 12 den gewünschten Effekt der Reduzierung des Überschusses im Wert des Ausgangssignales nahezu momentan zur Folge hat, besteht jedoch die Gefahr, daß die Stabilisieranordnung das Ausgangssignal überkompensiert und für eine wahrnehmbare Zeitperlode unhörbar macht, falls das von Gleichrichter R ■ ausgehende Signal abfällt, weil der Überschuß ia Wert des Ausgangssignales zu Begiun der Tätigkeit der Stafeilisierungsanordnung reduziert wurde. Der Glühfaden der Lampe 20, besonders von Lampen einer billigeren Bauart, ist nämlich nicht in der Lage, seine Wärae genügend rasch abzuleiten und kann daher seine Leuchtstärke nicht »it der erforderlichen Geschwindigkeit auf den Wert verringern, der für eine normale Kompensation erforderlich ist.

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Die vorstehend beschriebene Stabilisierungsanordnung der Erfindung stellt nun, wie sich ergeben hat, eine ideale Lösung dieses Problems dar.Wenn der Beginn der Tätigkeit der Stabilisierungsanordnung den Überschuß reduziert und infolgedessen die vom Gleichrichter R abgegebene Steuerspannung auf ein niedrigeres Niveau fällt, so führt der Differenzierkreis 30/34 der Basis des Transistors 22 einen kurzen Stromimpuls von entgegengesetzter Polarität zu. Damit erhält die Lampe 20 kurzzeitig eine Unterspannung und zwar unmittelbar, nachdem sie ihre höchste Leuchtkraft erreicht hatte. Sie wird daher sehr rasch ihre Hitze abgeben und ihre Leuchtstärke auf den »»ert zurückführen, der für die richtige Arbeitsweise der Spannungsstabilisieranordnung erforderlich ist.

Fig. 3 zeigt das Diagramm einer praktisch angewandten Schaltung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung. Um gemäß der Erfindung die Lichtquelle passend mit Energie zu versorgen, wird das dazu erforderliche Steuersignal hier durch ein anderes Differenzierungsglied D¹ geschaffen, das zwischen dem Gleichrichter R und dem Ermitter-Folger F angeordnet ist und zwei verschiedene Zeitkonstanten besitzt.

Obgleich die Erfindung anhand eines ihrer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht auf die geschilderten speziellen Bauteile, ihre Ausgestaltung und gegenseitige Anordnung beschränkt. Vielmehr kann davon abgewichen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Es ist daher ersichtlich, daß die grundsätzlichen Gedanken der Erfindung auch zur Stabilisierung des Ausganges einer Lautstärke- oder Wertänderungsvorrichtung verwendet werden

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können, die anders als das hier dargestellte und beschriebene
Dämpfungsglied ausgebildet ist. Ferner kann die von dem die Vorrichtung passierenden Signal abgeleitete Steuerspannung anstatt an der Ausgangsseite auch an der Eingangsseite oder an irgendeinem Zwischenpunkt auf ihrem lieg durch diese Vorrichtung abgenom-. men werden.

Die Erfindung kann überall dort mit Erfolg angewendet, werden, wo eine solche Konstanthaltung einer Spannung, aber auch eines Signales wie einer Laustärke oder dgl. gewünscht wird.

- Ansprüche -

A η q R Π 9 / 0 6 U 1

Claims

PATENTANSPRÜCHE.

/1·} Stabilisierungseinrichtung zur Schaffung einer gleichbleibenden Ausgangsspannung mit einer Wertänderungsvorrichtung, die ein veränderliches Widerstandselement und ein in einen Kraftstromkreis geschaltetes Gerät zur Steuerung dieses V/iderstandes umfaßt, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um von dem die Wertänderungsvorrichtung durchlaufenden Signal eine Steuerspannung abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstromleitung ein Steuerelement besitzt, daS auf die ihm zugeführte Steuerspannung anspricht und daß zwischen diesem Steuerelement und den die Steuerspannung abgreifenden Mitteln ein Differenzierungsglied angeordnet ist, das die Steuerspannung differenziert άβψ Steuerelement zuführt.

2.) Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den die Steuerspannung abgreifenden Mitteln und dem Steuerelement ferner eine Gleichstromleitung geschaltet ist, um die Steuerspannung dem Steuerelement unmittelbar zuzuführen.

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3.) Stabilisierungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzierglied und die Gleichstromleitung von einem Kondensator und einem Widerstand gebildet werden, die in Parallelschaltung zwischen den Mitteln für das Abgreifen der Steuerspannung und dem Steuerelement angeordnet sind.

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4.) Stabilisierungseinrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderliches Widerstandselement ein lichtempfindliches Gerät dient und daß die Vorrichtung für die Steuerung, bzw. Beeinflussung des Widerstandswertes dieses Gerätes eine Lichtquelle besitzt.

5.) Stabilisierungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Kraftstromkreis vorgesehene Steuerelement von einem Transistor gebildet ist.

6.) Stabilisierungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel für das Abgreifen der Steuerspannung von dem Signal eine Gleichrichteranordnung dient.

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