DE1548831A1 - Vorrichtung zur elektrischen Messung mehrerer Groessen - Google Patents

Vorrichtung zur elektrischen Messung mehrerer Groessen

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DE1548831A1
DE1548831A1 DE19661548831 DE1548831A DE1548831A1 DE 1548831 A1 DE1548831 A1 DE 1548831A1 DE 19661548831 DE19661548831 DE 19661548831 DE 1548831 A DE1548831 A DE 1548831A DE 1548831 A1 DE1548831 A1 DE 1548831A1
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Gerard Cottrez
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Description

ρ 15 4c 831.0 23, Aug. 1968
Pi/pa - T 3ü3
Ia Telemecanique Electriqtie
33 bis, Avenue Marechal Joffre, Nanterre, Seine,
Frankreich.
Vorrichtung zur elektrischen Messung mehrerer Größen
Die Messung "betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Messung mehrerer Größen, wobei diese Größen gleichzeitig durch Korrektur ihrer Schwankungen überwacht werden.
Aus der USA-Patentschrift 2 565 271 ist eine Temperaturüberwachungseinrichtung mit einer Y/he at st one -Brücke bekannt, bei der ein Zweig der Brücke durch einen elektromagnetischen Schalter an mehrere Meßeinrichtungen gelegt wird. Die bekannten Vorrichtungen zur Ausführung derartiger ■Überwachungen sind entweder bei bestimmten Anwendungsfallen viel zu langsam (dies ist beispielsweise der Fall bei Vo r-
9098 30/0763 Neue Unterlagen (Art ? s ι tu». 2 νγ. ι s&u 3 *· taten«*«··, v. 4,9. uk ?)
richtungen mit einem Schri tmotor zur Ausführung der aufeinanderfolgenden Prüfung Von zu überwachenden Größen) oder sie sind zu teuer, sobald die Anzahl der zu überwachenden Größen steigt (dies ist beispielsweise der Fall bei Vorrichtungen, die ebensoviele Meß- und Korrekturzweige mi jeweils einem verschiedenen Verstärker besitzen als zu prüfende Größen vorhanden sind).
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung ohne diese Nachteile, die außerdem vielseitig verwendbar ist, eine hohe Empfindlichkeit und einen hohen Genauigkeitsgrad auf v/eist.
Gemäß der Erfindung werden die verschiedenen Meßgrößen nach ihrer Umformung in elektrische Größen, wie Spannungen, Ströme oder Widerstandsänderungen, nacheinander in einen Zweig einer einzigen Meßbrücke, vorteilhafterweise einer Wheatstone-Brücke, mittels eines Schalters eingeführt, der das Sperren' oder das Durchschalten von Halbleiterelementen, wie Dioden oder Transistoren, bewirkt, und zwar durch elek' rische Steuerimpulse, die in z;yB.ischer Weise nacheinander an die verschiedenen umzuschaltenden Zweige gelegt werden.
Weitere Besonderheiten xind Vorteile der Erfindung werden ■ anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung dar-
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- 3 gestellt. In dieser zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipsctialtbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,
Fig. 2 eine Ausführungsvariante dieser Meßvorrichtung, und
Fig. 3 ein 'Gesamtschaltbild einer Regelvorrichtung gemäß der Erfindung.
in der Fig. 1 dargestellte Meßvorrichtung weist eine Wheatstone-Brücke auf, in deren Zweigen jeweils bekannte Widerstände H^, Rp, ^-i ^11^ ^-er zu niessende Widerstand, der von einem der Widerstände r.=, rp.... r gebildet wird, eingefügt siiid. . .
Diese letzteren werden mittels einer Anordnung von Dioden 3D.,,- Dp ... D umgeschaltet, die in Reihe mit den jeweiligen Widerständen r., r2 ···!*„ und den Transistoren T-,, T^ ... Tn liegen. Jeder dieser Transistoren liegt zwischen dem dem Widerstand r und der Diode D gemeinsamen Punk und einem Leiter 0, an dem Nullpotential liegt und der mit einer der Klemmen der äußeren Brückendiagonale verbunden ist.
An einem Leiter U, der mi der anderen Klemme der äußeren
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Brüokendiagonale verbunden ist, liegt 'tine negative Spannung -U«
In die Innendiagonale der Brücke ist ein Verstärker A eingefüft. Pie Basis der Transistoren ist mit den jeweiligen Ausgängen einer Vorrichtung C zur Ereeugung von Spannungsimpulsen verbunden, die beispielsweise in regelmäßigem Takt in der Reihenfolge der Ausgänge 1, 2 ... η aufeinanderfolgen und eich zyklisch wiederholen*
Eine geeignete, nicht dargestellte, den Strom nur in einer RJLohtung durchlassende Einrichtung^; liegt außerdem ständig en der Basis der Transistoren, und zwar in der Weiee, daß sie normalerweise leitend Bind, mit Ausnahme dee den Impuls erhaltenden Transistors, der während der Dauer dieses Impulses gesperrt ist.
Wenn alle Transistoren leitend sind, so werden sie vom Strom in Richtung des den Emitter symbolisierenden Pfeils durchflossen.
Da der Innenwiderstand der Transistoren gegenüber dem Widerstand der Kreise, zu deren Klemmen sie parallel liegen, gering ist, wird nach den Dioden Dn eine sie sperrende Gegenspannung angelegt.
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. Wenn einer der !Transistoren, zum Beispiel T-,, gegperrt ist, so ist im Gegensatz dazu die Brücke mit dem entsprechenden Widerstand r^ in Betrieb und man erhält an den Ausgangsklemmen dee Verstärkers A eine Meßspannung.
Der Impulsgenerator Qf der in der Praxis von einem elektronischen Zähler gebildet wird, legt im Verlauf eint· Zyklus, der sehr kurz sein kann, nacheinander die verschiedenen Widerstände T1 ... rß in die Brücke, wobei die Anzahl der Widerstände beliebig sein kann. Diese Vorteile der Erfindung ergeben sich aua der Verwendung einer Umsohaltvorrichtung mit Halbleitern.
In der Praxis dient eine derartige Meßvorrichtung im allgemeinen zur Regelung.
Dazu müssen die Spannungsänderungen an den Klemmen des Verstärkers (der dann ein Differential-Verstärker ist) proportional zu den Änderungen der Widerstände r-^ ...' r Bein. In einem konkreten Ausfuhrungsbeispiel können diese Widerstände 'Pemperaturmeßsonden sein, und dia relativen Schwankungen der zu messenden Temperatur können sehr gering sein, z. B, viel geringer als ein Tausendstel.
Bei diesen Bedingungen ist es wichtig, daß die Spannungsabfulle in den Dioden den Ohm'-sohen Abfällen in einem
Λ, 909830/0763 .
großen Strometärkebtreioh angeglichen werden können, wodurch große Änderungen der Widerstände r ermöglicht werden. Zu diesem Zweck müssen die Dioden im linearen Bereich ihrer Strom-Spannunge-Kennlinie arbeiten.
Um eine Proportionalität zwischen der Schwankung der Spannung in der Innendiagenale der Brücke und der Veränderungen des Widerstandes grn zu erreichen, ist außerdem erforderlich, daß der durch die Diode D in die Brücke eingeführte Widerstand gegenüber rn gering ist.
Diese verschiedenen Betrachtungen führten zur Verwendung von Halbleiterdioden.
Aufgabe der Diode D iet es, dit WiderstandBänderungen der Diode D zu kompensieren, die aus den Schwankungen der Umgebungstemperatur resultieren.
Es/st zu bemerken, daß die beschriebene Schaltung in verschiedenster Weise abgeändert werden kann. Insbesondere können mi tels der Vorrichtung Spannungen überwacht werden, die anstelle der Widerstände rß eingeführt werden. Die bekannten Widerstände der Brücke müssen dann selbstverständlich durch Spannungsquellen ersetzt werden. Außerdem muß dann der Spannungsabfall in den Dioden etwa konstant bleiben, und zwar unabhängig von dem Strom, der sie
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durchfließt. Dies führt dazu, daß Dioden mit einer möglichst horizontalen Sättigungskennlinie ausgewählt werden müeeen, und daß sie nur in dieser Zone verwendet werden dürfen.
In der AusftihrungsVariante der Pig· 2 sind die Dioden durch die Transistoren T^, Ig ,.« f ersetzt, die in Reihe mit den Widerständen r-,, r„ .·. r liegen.
Der Umsehaltgenerator 0 sperrt dann zu jedem Zeitpunk des Überwachungszyklus sämtliche Transistoren mit Ausnahme eines einzigen. Der dem durchgeschalteten Transistor entsprechende und in die Brücke eingefügte Widerstand r ist zu diesem Zeitpunkt von allen anderen getrennt,
Der Transistor T ist vorzugsweise ein Komplementärtransistor der Transistoren T , d. h . daß er beispielsweise vom Typ pnp ist, wenn diese vom Typ npn sind. Er wird ständig in leitendem Zustand mittels einer nicht dargestellfeten, den Strom nur in einer Richtung durchlassenden Einrichtung gehalten,und dient zur Verbesserung der Temperaturstabilität der Vorrichtung. Er könn e weggelassen werden, wenn die Temperaturkompensation nicht erforderlich wäre. Die Transietoren T1 ... Tn sind so geschaltet, daß ihre Emitterelektrode die Holle eines Kollektors und umgekehrt spielt.
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Εε ist bereits bekannt, einen Transistor in dieser Weise su Behalten. Aber im Rahmen der Erfindung werden die Impedanzen der Steuerkreise verwendet, damit der Basisstrom I^ relativ konstant ist und in der Nähe der durch den Transistor geschalteten Ströme liegt; dem Fachmann ist klar, daß diese Besonderheit sehr wichtig ist. Es ergibt sich in der Tat dann, wenn gefordert wird, daß die Transistoren mit einer Verstärkung nahe Eins arbeiten, daß ihre Kennlinie Strom I - Spannung Y (I : Kollektorstrom,
C " CS C
V_ : Kollektor-Emitter-Spannung) überraschenderweise
in der Arbeitszone einen etwa geradlinigen Teil aufweist, dessen Verlängerung etwa durch den Ursprung der Koordinatenachsen geht. Daraus folgt, daß sich bei einer geeigneten Festlegung des Arbeitspunktes der Transistoren in dieser Zone, diese Transistoren sich im gesamten Bereich der sie durchfließenden Ströme etwa wie Ohm'sche Elemente verhalten werden.
Diese Schaltungsweise der Transistoren bewirkt außerdem,., daß ihre Fehlerströme wesentlich verringert werden (zum Beispiel in einem Verhältnis von 10), und damit wird auch der Fehler verringert, der in die Messung dadurch eingeführt wird, daß sie parallel zu dem sich im Betrieb befindlichen Zweig liegen. Selbstverständlich müssen die Transistoren so ausgewählt werden, daß ihr Innenwiderstand gegenüber den Widerständen r gering ist, damit die
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Proportionalität zwischen der Schwankung der Spannung in der Innendiagonale der Brücke lind der Änderung des Widerstandes r bewahrt werden kann.
Wenn die Anzahl der zu messenden Widerstände nicht sehr ■ groß ist, so sind Germaniumtransistoren ausreichend. Wenn aber die geforderte Hegelgenauigkeit oder die Anzahl der zu überwachenden Zweige groß ist, so werden vorzugsweise Siliciumtransistoren vom Typ der Flächentransistoren verwendet, die entsprechend den Epitaxialtechniken hergestellt sind.
Diese Transistoren haben eine sehr geringe Emitter-Kollektor-Spannung (Vc(3)» wodurch die Messung von besonders geringen Widerstandsänderungen ermöglicht wird.
Außerdem sind die Fehlerströme sehr klein und dies ist, wie es bereits erklärt wurde, umso bedeutsamer,"je größer ihre Anzahl ist.
Um den Kennlinienun erschieden der Transistoren Rechnung zu tragen, ist es vorteilhaft, einen regelbaren Widerstand ( j ... )" in Reihe mit dem zu messenden Widerstand T1 ... rn zu legen. Solche Regelbaren Widerstände werden vorteilhafterweise ebenfalls im Schaltbild der Fig. 1 eingefügt. ;
909 8 30/0763 . bad ORiG»HAt-
- ίο -
Bei der praktischen Anwendung der Meßvorrichtung zur Regelung wird parallel zu den Ausgangsklemmen des Differentialverstärkers A die-Primärwicklung eines (Transformators geschaltet, der an den Klemmen der Sekundärwicklung eine Zenerdiode, eine Diode und einen in Reihe geschalteten Widerstand aufweist, um eine Änderungsschwelle festzustellen, und zwar unabhängig von der langsamen Abweichung, die in dem Verstärker auftreten kann. Bei einem Ungleichgewicht der Meßbrücke steigt die Spannung am Ausgang des Verstärkers sehr schnell an, und dieser steile Anstieg erzeugt in der Sekundärwicklung einen Spannungsimpuls. Bei ausreichendem Ungleichgewicht ist die Durchlaßsichwelle der Zenerdiode erreicht, und daraus ergibt sich in der Sekundärwicklung, und insbesondere in dem Laptewiderstand Rc, ein Strom, der an den Klemmen einen Spannungsimpuls· erzeugt, der abgenommen v/erden kann.
Die beschriebene Regelvorrichtung spricht nur auf eine. einzige Richtung des Ungleichgewichts an. Im Falle einer Doppelregelung würde es mehr oder v/eniger genügen,.. zwei Transformatoren parallel zu schalten, wobei in der Sekundärwicklung die Dioden in umgekehrter Richtung zu schalten wären.
Fig. 3 zeigt die Verwendung dieses Impulses für die Regelung. In dieser Figur wird die gesamte Meßvorrichtung,
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- ii -
die beispielsweise en sprechend der Fig. 2 ausgeführt istf durch ein Rechteck M dargestellt. Diese Vorrichtung hat Eingänge 1, 2 ... n, die jeweils der Basis der Transistoren T-|_f Tg · · · Tn entsprechen, und einen einzigen Ausgang, der von der Sekundärwicklung des Transformators K gebildet wird (im Schaltbild der Fig. 3 ist nur eine Leimung dargestellt).
Der Umschaltgenerator C besitzt Ausgänge 1, 2, ... nf an denen Korrektureinrichtungen liegen, von denen nur die dargestellt sind, die an den Ausgängen 1 und 2 liegen.
Jede Korrektureinrichtung besitzt eine logische Nein-Schaltung (N1, N2 ... Nn), eine logische Und-Schaltung mit zwei Eingängen, die ein Signal 0 abgibt, wenn ihre beiden Eingänge ein Signal 6 erhalten (E1, Ep ·.. E), eine zweite Nein-Schaltung (P-,, Po ... Pn), eine dritte Nein-Schaltung (Q1, Qg ... Qn) und ein Steuerorgan (R1, Rp ... R ).
Diese logischen Schaltungen werden gesteuert oder geben logische Signale O oder 1 ab, die in dem benachbarten Beispiel jeweils den Potentialen O Volt oder -36 Volt entsprechen. In diesem praktischen Beispiel besteh.; das Steuerorgan vorteilhafterweise auch aus einem einen Wechselstrom steuernden Leistungsthyristor, der jedesmal zündet, wenn ihn ein geeigneter Steuerimpuls (hier ein
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~ 12 -
Signal "Null") erreicht, um einen Heizwiderstand zu speisen, dessen Einschaltung die Temperatur in der Weise erhöht, daß die Meßabweichung verringert oder beseitigt wird.
Die in der Zeichnung dargestellte Schaltung arbeitet fοIgendermaß en:
Der Zähler C gibt Impulse "Eins" in der Reihenfolge 1, 2, ... η ab. Wird der Zeitpunkt der Abgabe des Impulses 2 betrachtet, so ist zu sehen, daß ein Impuls "Null" vom Ausgang des Kreises N2 auf den Eingang 2 der Vorrichtung M gegeben und dadurch wia? bewirkt wird, daß der Widerstand rp in die Brücke gelegt wird (die Transistoren der Brücke sind zu diesem Zweck in geeigneter Weise gerichtet).
Außerdem wird der Verstärker so gesteuert, daß ein Impuls "Null" an den Klemmen des Ladewiderstandes der Sekundärwicklung des Transformators auftritt, wenn die Brücke ein Ungleichgewicht wenigstens gleich dem Schwellwert aufweist. In diesem Fall gibt der Kreis Ep> an dessen beide Eingänge Impulse "Null" gegeben werden, einen Impuls "Null" ab.
Dieses Signal wird durch das folgende NEIN Pp in ein Signal "Eins" invertiert, dann durch eine andere NEIN-Schaltung Qg in ein Signal "Null" umgeformt, das an die
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Sündelektrode des Thyristors E2 gelegt wir α und dies an auslöst.. Das Aus gangs signal -yon Q2, angenommen "Hull·15 s wird über eine Diode IU zum Eingang <xes Elementes P2 rückgekoppelt, Tim den Thyristor R2 nach Wegnähme der Steuerimpulse von En leitend zu hai·.en. iiine diesem Kreis gegebene geringe Verzögerung verlängert die Wirkung der Steuerimpulse beim Warten auf das Eingreifen des Signals zur Aufrechterhaltung des leitenden Zustands.
Daraus resultiert eine tindefinierte Verlängerung des impulses des Thyristors, so daß dieser den Speisewechselstrom des Heizv7iderstana.es steuernde Tlijristor, der bei jedem Zyklus des Wechselstromes gelöscht würde, nach dem Verschwinden des Impulses 2 leitend bleibt.
Der Regelungsz:-"klus wird mit den Impulsen 3» ... η fortgesetzt und dann bei einem neuen Zyklus mit dem Impuls 1. Daraus folgt die eventuelle Durchschaltimg der jeweiligen Thyristoren IU ... R , H-^.
Der Impuls "Eins" im Zweig 1 erzeugt offensichtlich am Ausgang des Kreises W1 ein Signal "Hull", das an den Eingang des Kreises Q2 aufgrund der in der Zeichnung dargestellten Zwischenverbindung gegeben wird. Die I1OIge davon ist das Auftreten eines Signals "Eins" am Ausgang von Q2, und dieses Signal löscht den Thyristor.
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Wann dsr Impuls 2 von neuem erscheint, so wird der Thyristor wieder gezündet, wenn die im Verlauf des vorhergehenden Zyklus ausgeführte Korrektur ungenügend war; im entgegengesetzten Fall bleibt er gesperrt.
Das heißt, daß die Kocrektur in jedem der Regelzweige auf alle Fälle erfolgt und so viele Zyklen nacheinander ausgeführt werden als zur vollständigen Beseitigung der Abweichung notwendig sind.
iJiese Programmerung der Regelung verwendet einen einzigen Impulszähler, der gleichzeitig die Iießvorri chtung und die Korrekturvorrichtung umschaltet, v;obei das Eingreifen der Korrekturvorrichtung sich nicht während o.er kurzen Dauer der Steuerimpulse auswirkt, sondern v.'ährend der geeigneten Zahl von Zyklen, und zrar aufgrund v.es Aufrechterhaltens des Steuerimpulses und seiner nach der logischen Inversion erfolgenden Verwendung zur Beseitigung des Eingreifens.
Patentansprüche:
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Claims (7)

1S48S31 - 15 Patentansprüche :
1. Vorrichtung zur elektrischen Messung mehrerer Größen, 'bei der die verschiedenen Größen nach ihrer Umformung in elektrische Größen, wie Spannungen, Ströme oder Wioerstandsänderungen, nacheinander in einen Zweig einer einzigen Meßbrücke, vorteilhafterweise einer Wheatstone-Brücke, eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß die Einführung der Größen mittels eines Umschalters erfolgt, der das Sperren oder Durchschalten von Halbleiterelemen en, wie Dioden oder Transistoren, durch elektrische Steuerimpulse festlegt.
2. Elek rische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Meßzweig der Brücke ebensoviele parallelgeschaltete Zweige aufweist als zu messende elektrische Größen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Weg eine mit der entsprechenden elektrischen Größe in Heihe geschaltete Haltbleiterdiode aufweist, daß ein Transistor zwischen den der Diode und der elektrischen Größe gemeinsamen Punkt und eine der Klemmen der äußeren Brückendiagonale geschaltet ist, und daß ein elektronischer Generator nacheinander Umschaltimpulse an die Transistoren lsgt, um jeden von ihnen nacheinander zu sperren, während die anderen leitend sind.
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Neu? Unterlaoen m, 7 g 1 AbS. 2 m 1 sau 3 des Änderung* v. 4,9.w-»
erv. W-
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei o.er der LIeI zv/eig de..· Brücke ebensoviele parallelgeschaltete Wege aufweist, v/ie zu messende elektrische Größen vorhanc.en sind, dadurch gekennzei c h η e t , daß jeder V^eg einen mit der entsprechenden elektrischen Grüße in Reihe geschalteten Transistor und einen elektronischen Generator aufweist, der nacheinander Umschaltimpulse an die Transistoren legt, um jeden von ihnen nacheinander durch zu sahalt en, währenc. i.ie anderen gesperrt sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Transistoren so geschaltet sind, '"aß ihre Emitterelektrode als Kollektor und umgekehrt arbeitet, daß die Größen der in die Steuerkreise eingeführten Impedanzen so sind, daß der Basisstrom I, der Transistoren relativ konstant unc. etwa so groß wie die geschalteten ütröme ist, daß die Verst rkung nahe Eins liegt, damit der verwendete Teil der Ltrom I -ä-pannungs- V -Kennlinie (I„ = Kollektorstrom, V0= Kollektor-Emitter-^pannun.q) der Transistoren etv/a eine durch den Ursprung der Koordinatenachsen gehende Gerade ist, wodurch sich "ic i'rcjiQistören etwa vie Ohm'sche Elemente von geringer Große im gesamton Bereich der sie durchfließenden Ströme verha .ten i\nd ihr Fehler strom äußerst geling i~t.
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ÖAO ORIGINAL
5. Vorrichtung nach Ans-prudi 1, dadurch. gekennzeichnet, da.ß ein Lifferentialverstärker in die Innendiagoiiale der Brt.cke gelegt ist und daß eine Zenerdiode mi einem Transformator verbunden ist, die am Ausgang des Verstärkers jedesmal das Erzeugen eines Impulses ermöglicht, v/enn ein minimales Ungleichgewicht der Brücke erreicht ν,-ird.
6. Regelsystem, dadurch gekennzei chnet , ■ daß es eine Meßvorrichtung nach Anspruch 5 aufweist, ' ™ die mit einer Eingriff s-fjt euer einrichtung verbunden ist, deren jeder Zv;eig durch c'.ie Koinzidenz der von dem 'fransformator erzeugten Steuerimpulse mi dem dem Zv/eig entsprechenden xmd dtirch den Generator erzeugten Ums ehalt impuls aiisgelöst wird.
7. Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, üaß die Eingriffs-Steuereinrichtung einen Kreis zur Aufrechterhaltung der Steuerimpulse Λ
aufweist, welcher die Verlängerung des Eingriffs während eines vollständigen Umsehalta^klus ermöglicht, sov/ie logische Kreise, welche die Verwendung des . Steuerimpulses eines Zweiges zur Beendigung des Ein- - griffs auf den nachfolgenden Zweig ermöglicht, sobald die zu korrigierende Abweichung beseitigt ist.
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BAD
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