DE1523414A1 - Temperaturregler - Google Patents

Description

DR.-INS. DIPL.-ΙΝΘ. M.SC. " .. -.-r-nYS. DR. UIHbi HHYS. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Texas Instruments Incorporated 13500 Horth Central Expressway, Dallas, Texas.

U.S.A.

Temperaturregler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturregler und im besonderen auf einen Temperaturregler mit Proportionalregelung, also einen sogenannten P-Regler,,

Der Erfindung liegt nun die Hauptaufgabe zugrunde, einen Temperaturregler zu schaffen, der eine Temperatur mit sehr grosser Genauigkeit auf eine bestimmte Yorbestimmte Höhe einregelt, wobei zugleich der Regler eine hoho Verstärkung über einen grossen Regelbereich hat. Ferner spricht der

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erfindungsgemässe Regler rasoh an, hat eine stabile Regelung über einen grossen Bereich von unterschiedlichen Auesenbedingungen, braucht wenig Energie, ist in seinem Aufbau kompakt und ferner in der Herstellung eihfaoh und billig.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der Temperaturregler gemäss der Erfindung eine Heizvorrichtung auf, die bei Erregung die Temperatur in der Zone ändert, in der die Temperatur geregelt werden soll. Die Heizvorrichtung wird durch eine kippbare Halbleiterschaltvorrichtung erregt, die die normale Erregung der Temperaturheizvorrichtung steuert. Ein Thermistor fühlt dabei die Temperatur in der betreffenden Zone. Der Thermistor ist mit einer ersten Wicklung eines sättigbaren Magnetkernes in einem Stromkreis angeschlossen, der periodisch den Kern in einer Richtung in einem bestimmten Umfang erregt, der eine Funktion der Temperatur des Thermistors ist. In einem zweiten Stromkreis ist eine zweite auf dem Kern angeordnete Wicklung vorgesehen, die wechselweise mit dem ersten Stromkreis zusammenwirkt, um so de« Kern in entgegengesetzter Riohtung in einem Umfang au erregen, der eine Punktion der Zeit ist. Die zweite Wicklung ist mit der kippbaren Halbleitersohaltvorrichtung zum Kippen der Vorrichtung

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in den leitenden Zustand naoh der Sättigung des Kerns verbunden, wobei der Zeltpunkt des Kippens eine Punktion der vorhergehenden Magnetisierung des Kerns durch die erste Wioklung 1st. Damit 1st das Verhältnis des Zeitraumes, während der die Halbleitervorrichtung Energie führt, zu der Teaperaturheizvorriohtung eine Funktion der Temperatur der Zone, so dass nun die Zonentemperatur auf einem bestimmten Wert gehalten wird.

Weitere Vorteile und* Merkmale der Erfindung ergeben eich aus der nachstehenden Besohreibung im Zusammenhang mit dtr Zelobnung_f die ein AusfUhrungebeispiel der Erfindung enthält. In der Zeichnung zeigen*

Fig.1 eine aohematieche Sohaltung eines Temperaturreglers sum Regeln der Erregung einer Heizvorrichtung, um so die Temperatur in einer geregelten Zone auf einer vorbestimmten Höhe zu halten,

Fig.2 eine graphisohe Darstellung zur Erläuterung des magnetischen Verhaltens eines sättigbaren Reaktorkernes» wie er in dem Regler gemäss Flg.1 verwendet wird,

Fig.3 eine sohematisohe Sohaltung einer weiteren AusfUhrungs· form des Reglere gemäss der Erfindung,

Fig.4 einen Schnitt durch einen Thermistor in der Art einer Temperaturfühleonde, - 4 -

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Fig,5 einen Schnitt durch einen Thermistoroberfläohenfühler«,

Bei dem in ?ig.1 dargestellten Temperaturregler let eine Wechselstromquelle beispielsweise von 115 V und 60 Hb vorgesehen, wobei Energie der als Ganzes mit 11 bezeichneten Regelschaltung Über die Leitungen L1 und L2 zugeführt wird. Die RegeIsohaltung 11 arbeitet in der Weise, dass die einer elektrischen Heizvorrichtung 13 zugeführte Energie so abgewandelt wird, dass die Temperatur Innerhalb einer geregelten Zone 15 auf einer vorbestimmten Höhe aufrechterhalten wird· Wie weiter unten näher erklärt, prlcht die Regelschaltung 11 auf Änderungen im Widerstand eines Thermistors 17 an, der die Temperatur innerhalb der Zone 15 abfühlt·

Die Heizvorrichtung 13 erhält durch einen Halbweggleiohriohter gleichgerichtete elektrische Energie über eine Anoden-Kathoden-Strecke eines gesteuerten Silizlumgleiohrlehters Q1, der im folgenden als Thyristor bezeichnet wird· Dieser Thyristor stellt eine Halbleitersohaltvorrlohtung dar, die in den leitenden Zustand duroh einen Strom gekippt werden kann, der an der Steuerelektrode angelegt wird, wenn die Anoden-Kathoden-Strecke in Durohlassrlohtung vorgespannt ist. Wenn einmal der leitende Zustand erreicht ist, eo bleibt der Thyristor in diesem Zustand solange, bis die Durchlasspannung mit Hilfe von aueeerhalb

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dc» Thyriitori liegenden Mitteln entfernt wird.

Bine etufenwtiee Inderung der der Heilvorrichtung 13 »ugefiihrttn Energie wird durch die Inderung dee Ztindaeit- punktee. oder des Phasenwinkel* de« Thyristors erreicht, DaB Kippen erfolgt nährend derjenigen Halbwellen des Wechselstroms, während der der Thyristor Q1 In Durohlassriohtung vorgespannt ist. Durch Xnderung des Zündzeitpunkt wird das Verhältnis der Zeit,während der Energie der Heizvorrichtung 13 zugeführt wird, ebenfalls verändert. Der Kippstrom für den SteuerelektrodenkreiB des Thyristors Q1 wird über die Leitung L2 während ;jeder zweiten Weohselstromhalbwelle über eine Hintereinanderschaltung zugeführt, die eine Diode D1, einen Widerstand R3 und eine Steuerelektrodenwicklung 21 eines sättigbaren Kipptransformators 23 aufweist. Der sättigbare Kipptransformator 23 weist einen Hagnetkern auf, der eine quadratische Hysteresekurve hat. Ein Kern mit dieser Kennlinie ist in der Zeichnung mit 25 bezeichnet,und das Hysterese-Verhalten des Kernes ist in flg.2 durch die ausgezogenen Kurven dargestellt.

Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R3 und der Steuerelektrodenwicklung 21 ist an die andere Zuleitung L1 über eine Diode D2 und einen Widerstand R2 angeschlossen, derart, dass die Widerstände R2 und R3.einen Spannungsteiler bilden, der die an die Steuerelektrodenwicklung 21

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angelegte Spannung herunterteilt. 81· 3teuertl*fctrod*n- I»thod#n-Streok· d«a Thyristor· Q1 wird duron einen Wider· stand H1 derart überbrückt, da·· relativ kleine duroh die S teuere le te trod enwic feiung 21 fliessende Ströme dem Gleichrichter nicht in den leitenden Zustand kippen.

Bine Reihenschaltung mit einer Diode D3, einem Widerstand H4, einer Diode D4, einem Widerstand R5 und einem Potentiometer P1, iat zwischen den Zuleitungen L2 und L1 angeordnet. Die verschiedenen Widerstände in diesem Reihenstromkreis bilden einen Spannungsteiler, durch den Strom während derjenigen Wechselstromhalbwellen flieset, während der die Dioden D3 und D4 in Leitriohtung vorgespannt sind. Die Spitzenspannung am Widerstand R5 und am Potentiometer P1 wird duroh eine Zenerdiode Z1 geregelt. Der sättigbare Kipptransformator 23 weist ferner eine Rüokstellwicklung auf, die auf einem Kern 25 aufgewickelt ist. Die Rüokstellwicklung 27 ist in Reihe mit dem Thermistor 17 geschaltet. Ein Ende der Rückstellwicklung 27 ist an die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R4 der Diode D4 und ein Ende des Thermistors 17 an den veränderbaren Abgriff des Potentiometers P1 angeschlossen. Damit wird ein einstellbarer Anteil der durch die Zenerdiode geregelten Spannung, die am Widerstand R5 und am Potentiometer P1

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erscheint_f der in Reihe angeschlossenen Wicklung 27 und dem Thermistor 17 angeführt. Die einzelnen Dioden D2 und D4 entkoppeln die betreffenden Wicklungen 21 und 27, wenn jeweils die entgegengesetzte Wicklung yonder Anschlussleitung L2 angesteuert wird, so dass eine gegenseitige Ein«- wirkung zwischen der Steuerelektrodenwicklung 21 und der Ruckstellwicklung 27 Terhindert wird·

Die Wirkungsweise des in ?ig.1 dargestellten Reglers ist nun wie folgt, wobei auf die in Pig.2 dargestellte Hysterese-Kennlinie des aättigbaren Kerns 25 Bezug genommen wird· Während denjenigen Wechselstromhalbwellen, welche die Diode D1 und D2 in Durchlassrichtung vorspannen, wird der !Thyristor Q1 durch den Strom gekippt, der durch den Widerstand R3 flieset,und zwar erst dann« ' nachdem übt Kern 25 in der entsprechenden magnetischen Richtung gesättigt 1st. Bis dann diese Sättigung eintritt, wirkt dem zu der Steuerelektrode des Thyristors fliessenden Strom die induktive Gegenspannung entgegen, die in der Wicklung 21 durch den zunehmenden Magnetfluss im Xem 25 erzeugt wird. Nachdem jedoch der Kern gesättigt ist, hat die Steuerelektrodenwicklung 21 eine niedrige Impedanz, und as kann nun ein iippstrom zur Steuerelektrode des Thyristors Q1 fliessen. Unter der Annahme, dass der Thyristor Q1 gerade

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gekippt wurde, ist der Kern 25 in einem Zustand, der mit "a" in Pig.2 bezeichnet ist. Am Ende der Kipphalbwelle wird der der Steuerelektrodenwioklung 21 zugefUhrte Hagnetstrom derart abgezogen, dass nun der Kern in den mit "bⁿ bezeichneten Zustand zurückkehrt.

Während der Halbwellen, in denen die Dioden D3 und D4 in Durchlassrichtung vorgespannt sind, wird eine Regelspannung am Thermistor 17 und an der Rücketellwloklung 27 angelegt· Diese Spannung erzeugt in der Rüokstellwloklung einen Strom, der nun den Hagnetkern 25 in entgegengesetzter Richtung zu magnetisieren versucht. Solange der Kern 25 in der umgekehrten Richtung nicht gesättigt ist, erscheint eine induktive Gegenspannung an der RUokstellwioklung 27 derart, dass die angelegte Regelapannung zwischen der RUokstellwioklung 27 und dem Thermistor aufgeteilt wird· Die Geschwindigkeit,mit der der Pluss im Kern 25 ansteigt, let damit eine Punktion des Widerstandes des Thermistors 17. Der endgültige von dem Pluss am Ende irgendeiner Periode angenommene Wert und damit die Magnetisierung des Kernes 25 hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der der Fluss im Kern 25 ansteigt, wobei die Zelt auf eine halbe ' Perlode festgelegt ist. Di· relativen Werte des Widerstandes des Thermletors 17 bei der gewünschten Temperatur

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in der Zone 15 und die Induktivität der Wicklung 20 während.der ansteigenden .Magnetisierung des Kernes 25 werden derart gewählt, dass der grössere Seil der gesamten verfügbaren Spannung am Thermistor erscheint. Damit erzeugen relativ kleine Änderungen im Widerstand des !Thermistors verhältnismässig grosse Änderungen in der Geschwindigkeit, mit der sich der Fluss im Kern 25 aufbaut. Die absoluten Werte werden in Bezug auf die angelegte Spannung so gewählt, dass in dem zu regelnden Temperaturbereich der Kern 25 in dieser Richtung nicht gesättigt wird, sondern vielmehr nur eine Zwischenmagnetieierung erreicht, wie sie hei c in Pig.2 angedeutet ist. Die besondere Höhe der Magnetisierung 1st damit eine Funktion des Widerstands des Thermistors 17 in diesem Augenblick. Wenn daher die angelegte Wechselspannung wieder in die Phase der Kipphalbwelle zurückkehrt, während der die Dioden D1 und D2 in Durohlassrichtung vorgespannt sind, so verhält sich die Magnetisierung des Kernes 25 im wesentlichen wie in gestrichelten Linien bei d in Fig.2 dargestellt.

Wie bereits oben erwähnt, wird der Thyristor Q1 erst dann leitend, wenn der Kern 25 durch den in der Wicklung 21 fliessenden Strom gesättigt ist, d.h. erst wenn der Kern den Zustand annimmt, der mit ^waⁿ in Fig.2 bezeichnet ist.

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Die für die Erreichung dieser Sättigung bei einer bestimmten an die Wicklung 21 angelegten Spannung erforderliche Zeit hängt von der yorhergehenden Magnetisierung des Kerns 25 durch die Wicklung 27 ab. Diese Verzögerung ist daher eine Punktion des Widerstands des Thermistors 17, da dieser Widerstand grosser als die Induktivität der Wioklung 27 ist,und ist damit ein Paktor, der in grossem HaBe die Ruckstellmagnetisierung bestimmt. Veränderungen im Widerstand des Thermistors 17 ändern daher den Zündwinkel dea Thyristors Q1 und modulieren damit die durchschnittliche, der Heizvorrichtung 13.zugeführte Energie bzw. Leistung.

Der Thermistor 17 hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, derart, dass bei Zunahme der Temperatur sein Widerstand abnimmt. Sine Abnahme des Thermistorwiderstandes verursacht eine Zunahme in dem Rückstelimagnetisierungsstrom und damit auch eine Erhöhung der Verzögerungszeit, die vergehen muss, bevor die Zündung des Thyristors Q1 bei der Kipphalbwelle eintritt. Eine erhöhte Verzögerungazeit lässt weniger Zeit für ein FLieasen eines Stromes durch, die Heizvorrichtung 13 während des Restes der Halbwelle übrig,und damit wird die durchschnittliche Energiezufuhr zur Heizvorrichtung als Ergebnis der ansteigenden Thermistortemperatur herabgesetzt. Damit ergibt sich eine stabile

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und proportionale negative Rückkopplung, mit deren

Hilfe die Temperatur in der Zone 15 auf einer vorbestimmten

Hübe aufrechterhalten wird. Sa kleine Änderungen in dem Widerstand dea Thermistors 17 erhebliche Änderungen in der Kernmagnetisierung nie oben erwähnt erzeugen, so beaitzt die RUokkopplungssohleife eine hohe Verstärkung,und eine genaue Regelung der Temperatur wird damit erzeugt. Sie Temperatur kann durch Einstellung des Potentiometers F1 vorgewählt werden, um so eine Energiezufuhr zu errelohen,.bei der sioh bei der gewünschten Temperatur ein thermisches Gleichgewicht einstellt.

Sie Energiemenge, die duroh die Regelschaltung in form von Wärme abgegeben wird, wird duroh die Anordnung gemäss Fig.3 herabgesetzt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Strom fUr die Kipp-und Rückstellwioiclungen von dem .. Anodenanschluss des Thyristors Q1 über die Sioden D1 und S3 nicht mehr unmittelbar von der Zuleitung L2 abgenommen. Wenn daher der Thyristor zündet, so fällt die an die Regelschaltung angelegte Spannung auf einen aehr niedrigen Wert, beispielweise ungefähr ein Volt, ab. Sie Hauptwärmequellen in der Regelschaltung sind die Thyristoren, wenn dieee leitend sind«und ferner der Widerstand R3.

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In der Anordnung nach Fig.3 entsteht eine erhebliche Spannung am Widerstand R3 nur dann, wenn der Thyristor nicht leitend ist. Damit wird nur von einem dieser Elemente eine merkliohe Energiemenge zu irgendeinem Zeitpunkt abgegeben, und der gesamte«Verbrauch der Regelschaltung wird im Vergleich zu der Anordnung nach der Anordnung gemäss Fig.1 reduziert. Dieser herabgesetzte Verbrauch ist wünsehenswert, wenn der Regler dort verwendet werden soll, wo wenig Raum vorhanden ist, wie beispielsweise bei miniaturisierten Geräten.

Fig.14 zeigt eine Thermlstorsonde, die Im besonderen vorteilhaft let, wenn die Steuerung gemüse der Erfindung zur Aufreohterhaltung von Temperaturen auf grossen Höhen während längerer Zeiträume erfolgen. Der Thermistor 31 1st innerhalb eines länglichen Metallrohre 33 eingeschlossen, das In verhältnlsmässig unzugängliche Bereiohe eingesteckt werden kann, innerhalb derer eine Temperaturregelung erwünscht 1st. Das Rohr hat ein geschlossenes Ende 35, in dessen Nähe der Thermistor sich befindet. Der Thermistor weist Zuleitungen 37 und 39 auf, die eioh aus dem offenen Ende des Rohres zum Anschluss an die Regeleohaltung heraus erstrecken. Der Thermistor 31 1st elektrisch von den Rohrwänden durch ein feuerfestes Pulver

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isoliert, das sowohl eine gute thermische Leitfähigkeit als auch einen hohen elektrischen Widerstand hat. Dieses Pulver wird um den Thermistor 31 herum zusammengedrückt und kompaktiert und wird dort durch einen eingegossenen Harzpfropf 43 gehalten. Bin bevorzugtes Material für dieses Pulver 41 ist ein feinverteiltea Magnesiumoxyd· Auoh Zirkon- und Berryliumoxyde sind sehr vorteilhafte Materialien. Durch Verwendung einer elektrischen Isolierung mit einer minimalen thermischen Isolation gestatten diese Materialien eine Steuerung mit einem raschen Ansprechen, die durch thermische Trägheit innerhalb der Sonde selbst kaum verzögert wird. Ferner sind diese Materialien während langer Zeitperioden während hoher Temperatur stabil, so dass die Temperaturhöhe, die von dem Regler aufrechterhalten wird, sich nicht ändert.

Pig.5 zeigt ein, Thermistoraggregat,, das für die Anbringung, an der Oberfläche eines Teils geeignet ist, dessen Temperatur geregelt werden soll. Das Thermistoraggregat 45 ist innerhalb eines niedrigen metallischen Napfes oder Ge-

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häuses 47 angeordnet, wobei/die Ansohlussleitungen aus .dem offenen Ende des Napfes heraus erstrecken. Um den Thermistor herum ist ein pulverisiertes Magnesiumoxyd 49 zusammengepresst worden und durch ein Kopfstück 51 an Ort und Stelle gehalten. Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäss Pig.4 isoliert das Magnesiumoxydpulver elektrisch den

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Thermistor 4-5 ,während es zugleich «ärmeleitend ist, so dass der Thermistor der !Temperatur des Napfes 47 in engen Grenzen folgen kann;

Zwar ist in den angegebenen Beispielen eine Heizvorrichtung verwendet, um die Temperatur in der gesteuerten Zone zu ändern, doch sei darauf hingewiesen, dass auch eine Kühlvorrichtung, wie beispielsweise ein thermoelektrischer Kahler, verwendet werden kann, um die Temperatur innerhalb einer gesteuerten Zone in einem Umfang zu ändern, der eine Punktion seiner Ansteuerung ist. In ähnlicher Weise können auch die Thermistoren mit einem positiven Temperaturkoeffizienten benützt werden,oder andere Halbleiterschaltvorrichtungen können anstatt der dargestellten Thyristorschaltung eingebaut werden.

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Claims (1)

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   Dart nicht geändert werden]·

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   Patentansprüche!

   1. Temperaturregler zum Regeln einer Temperatur in einer vorbestimmten Zone mit einer in der Zone angeordneten Heizvorrichtung und einem die Temperatur in der Zone abfUhlenden Thermistor, mit dessen Hilfe die Temperatur regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster, mit dem Thermistor verbundener und eine erste Wicklung aufweisender Schaltkreis zum Magnetisieren eines magnetisch eättigbaren Kerne in einer bestimmten Richtung und in einem solchen Ausmaß vorgesehen ist, dass die Magnetisierung eine Funktion der Temperatur des Thermistors .st, und dass ferner ein zweiter Schaltkreis mit eine: zweiten

   Wicklung zum abwechselnden Magnetisieren in entgegengesetzter

   vorgesehen ist, Richtung in einem solchen Umfang /dass die Magnetisierung eine Punktion der Zeit ist, wobei die zweite ?^;icklung mit einer Halbleiter-Kippvorrichtung verbunden ist, um diese nach Sättigen des Kerns in den leitenden Zustand zu kippen, derart, dass der Zeitpunkt,· in dem die Halbleitervorrichtung gekippt wird, eine Funktion der vorherigen Magnetisierung des Kernes durch die erste Wicklung ist und so die Zeitdauer, während der die Halbleitervorrichtung leitend ist, eine Funktion der Temperatur der Zone ist, wodurch dann die Zonentemperatur auf der vorbestimmten Höhe gehalten ist.

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   2. Begier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitervorrichtung ein Thyristor iet, deeeen Anoden-Kathoden-Streoke zum Zuführen der Energie eur Heizvorrichtung dient.

   3. Hegler nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer fleohselstromquelle, dadurch gekennzeichnet, dass während Wecheelstromhalbw eilen bestimmter Polarität an den ersten Schaltkreis eine Spannung an legbar ist.

   4. Regler nach einem der vorhergehenden, Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaltkreis an die Steuerelektroden-Kathoden-Strecke des Thyristors angeschlossen ist.

   5. Hegler nach einem der vorhergehenden Ansprüohe, dadurch gekennzeichnet, dass während der Wechselstromhalbwellen entgegengesetzter Polarität an den zweiten Schaltkreis . eine Spannung anlegbar ist.

   6. Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der zweiten Wicklung fliessende Strom vor der Sättigung nicht ausreicht, um den Thyristor zu kippen, derart dass die Verzögerung vor dem Einschalten des Thyristors während der Wechselstromhalbwellen entgegengesetzter Polarität eine Punktion des Widerstandes des Ttfermistors ist und die Veränderung der der Heizvorrichtung

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   zugefUhrten Durohschnittsenergie die Temperatur in der Zone auf einer vorbestimmten Höhe hält.

   - 7. Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand des Thermistors bei der vorbestimmten Temperatur grosser als der Blinclwiderstand der ersten Wicklung ist.

   8. Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermistor in einem metallenen Schutzgehäuse angeordnet und durch ein feuerfestes*gut wärmeleitendes Pulver hiergegen isoliert ist.

   9. Regler nach einem der vorhergehenden Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass dae Gehäuse ein längliches Rohr ist,

   10. Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver Magnesium- und/oder Zirkon- und/oder Berylliumoxyd ist*

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