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Thermostatschaltung Gewöhnliche mechanisch wirkende Raumthermostate,
wie beispielsweise Bimetallschalter, die zur Ein- und Ausschaltung eines liastwechselstromes,
beispeilsweise für Raumheizgeräte, dienen und unter Netzspannung schalten, sind
notwendigerweise einer bedeutenden Kontakt beanspruchung ausgesetzt und müssen um
eine' unerwünschte Funkenbildung zu vermeiden und auch mit Rücksicht auf den Isolierabstand
schlagförmig ein- und ausschalten, was zu einem hörbaren Klirren Anlass gibt. Wegen
dieser Wirkungsweise und auch damit die Beanspruchung nicht infolge zu hoher Schalthäufigkeit
zu gross wird, arbeiten solche Thermostate auch mit einer bedeutenden Hysteresis,
also einem merkbaren Unterschied zwischen Ein- und Ausschalttemperatur und einer
entsprechenden groben undlangsamenRegelung.
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Jedoch ist es aus der Literatur und z.T. auch aus der Praxis bekannt,
das Ein- und Ausschalten auf elektronischen Weg ohne die Anwendung mechanisch wirkender
Kontakte zu bewerkstelligen. Als Schaltelemente werden dann meistens Halbleiter-Bauelemente
benutzt, die mittelst geeigneter elektronischer Schaltungen gesteuert sind.
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Für niedrige Leistungen wie z.B. für Beleuchtung kann die Leistungsregelung
mit
solchen Elementen in der Weise erfolgen, dass sie während eines kürzeren oder längeren
Teiles der Halbperiode leitend sind. Dies führt aber zu der Notwendigkeit einer
sehr raschen Stromänderung in jeder Halbperiode, was bei grösser Leistung, wie z.
B.
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für Raumheizgeräte, wegen der dadurch verursachten Rundfunkstörungen,
die sich-schwer wirksam abschirmen lassen, in der Regel nicht zu verantworten.ist.
Für solche Zwecke wird es daher vorgezogen eine Zündung des Halbleiters bei Nulldurchgang
des Stromes zu bewirken, sodass er über die ganze Halbperiode leitend wird, und
man strebt dabei eine Schaltung an, die über eine grosse Anzahl von Halbperioden,
etwa einen Zeitraum von einigen Minuten ununterbrochen volle Leistung liefert, abwechselnd
mit voller Ausschaltung in einem entsprechenden Zeitraum, das Ganze im Abhängigkeit
des Leistungsbedarfes. In dieser Weise wird eine Wirkung erzielt, die etwa derjenigen
bei einem schnellschaltenden Thermostaten entspricht. Die Steuerstromkreise, die
für diesen Zweck benutzt sind, werden aber ziemlich verwickelt und entsprechend
teuer in der Herstellung, und bekannte elektronische Thermostate sind daher gewöhnlichen
Raumthermostaten gegenüber wenig wettbewerbsfähig, obwohl sie eine bessere Regelcharakteristik
haben können.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Thermostatschaltung, die
sich für Raumheizgeräte und ähnliche Zwecke eignet und es ermöglicht, die Nachteile
der bekannten mechanisch wirkenden Lelstungsthermostate in einer weit einfacheren
Weise als bei den bekannten voll-elektronischen Schaltungen und demnach zu einem
wettbewerbsfähigen Preis zu vermeiden.
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Zu diesem Zwecke macht man von einem Prinzip Gebrauch, das in Zusammenhang
mit Thermostatschaltungen zur Steuerung eines gleich gerichteten Laststromes an
sich vorbekannt ist (vgl. die US Patentschriften
Nr. 2.455.387,
3.068.338 und 3.229.071), und das darin besteht, dass als Schalter im Arbeitsstromkreis
ein elektronisches Ventil benutzt wird, das von einem mechanisch wirkenden, temperaturabhängigen
Kontakt gesteuert wird, der mit kleinem Strom arbeiten und daher eine feine Regelung
ohne lästige Funkenbildung ermöglichen kann, wobei für diesen Zweck gegebenenfalls
auch Kontakteinrichtungen verwendbar sind, die wenig Hysteresis aufweisen und-keinen
unerwünschten Geräusch verursachen.
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Die Erfindung betrifft somit eine Thermostatschaltung für wechselstromgespeiste
elektrische Heizgeräte,- insbesondere Raumheizgeräte, bei der als Schalter im Arbeitsstromkreis
ein elektronisches Ventil dient, das von einem mechanisch wirkenden, vorzugsweise
hysteresislosen temperaturabhängigen Kontakt gesteuert wird, und die angestrebte
Wirkung wird bei Ausnützung beider Halbwellen des Wechselstromes dadurch erzielt,
dass die Steuerelektrode des Ventils, das von der an sich bekannten Art ist, die
von Steuerstrom ungeachtet dessen Vorzeichen leitend gemacht wird und bis zum Schluss
der Halbperiode leitend bleibt, wenigstens bei eingeschaltetem Kontakt galvanisch
mit einem Punkt auf der Stromzufuhr- und Steuerseite des Ventils und kapazitiv mit
einem Punkt auf der entgegengesetzten Stromzufuhrseite von Last und Ventil im Arbeitsstromkreis
verbunden ist, sodass ein beim Ansprechen des Kontaktes auftretender Steuerimpuls
seinen Höchstwert etwa bei Nulldurchgang des Hauptstromes erreicht.
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Infolge der Anwendung eines in beiden Richtungen leitfähigen elektronischen
Ventils und der kapazitiven Ansohaltung der Steuerelektrode wird somit bei eingeschaltetem
Steuerstromweg eine Wechselstromzufuhr zu Last mit erneuter Zündung unmittelbar
nach jedem Nulldurchgang erhalten, sodass keine zu Rundfunkstörungen neigenden
Unregelmässigkeiten
der Stromkurve entstehen, und gleichzeitig wird die Wirkungsweise derjenigen der
bekannten voll-elektronischen Thermostatschaltungen auch insofern entsprechen, als
Ein- und Ausschaltungen in Intervallen von vielen Perioden Stattfinden und demnach
auch nicht zu lästigen Funkstörungen Anlass geben können.
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Als elektronisches Ventil für den vorliegenden Zweck eignet sich
insbesondere ein Ventil der sogenannten TRIAC-Bauart, d h.
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ein Halbleiterbauelement, das ähnlich einem Thyristor dadurch elektrisch
stromleitend gemacht werden kann, dass ein kleiner Stromimpuls einer Steuerelektrode
zugeführt wird, das aber im Gegensetz zu einem Thyristor in beiden Richtungen leiten
kann, sodass in beiden Halbperioden Arbeitsstrom hindurchgelassen wird.
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In dem Zusammenhang kann erwähnt werden, dass es an sich bekannt
ist einen TRIAC in Verbindung mit einer Thermostatschaltung anzuwenden. So zeigt
die schweizerische Patentschrift Nr. 445.671 einen TRIAC in Verbindung mit einem
Thermistor zur Steuerung eines mit Wechselstrom gespeisten Heizkreises, der einen
Bimetallkontakt enthält. Jedoch liegt dieser Kontakt in Reihe mit der elektronischen
Schaltung, und der verwendete TRIAC arbeitet in der oben besprochenen Weise mit
einer Leistungsregelung, die dadurch herbeigebracht ist, dass das Bauelement während
eines kürzeren oder längeren Teiles der Halbperiode leitend gemacht wird, was mit
den eingangs erwähnten Nachteilen verbunden ist.
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Auch ist es an sich nicht neu eine kapazitive Anschaltung der Steuerelektrode
eines TRIACS an die entgegengesetzte Seite der Last zu benutzen um einen Steuerimpuls
aus dem Netz mit Maximum bei Null durchgang des Hauptstromes zu erzielen. Dieses
Prinzip ist in SCR Manual der General Electric, 4te Ausgabe 1967, Seite 147 beschrieben.
Jedoch ist in diesem Fall das Ventil mit seiner Steuerelektrode
auf
der der Last zugekehrten Seite angeordnet, und es werden daher besondere elektronische
Schaltmittel erfordert um jeweils für die Ein-schaltung des Hauptstromes einen auslösenden
Steuerimpuls zu verschaffen. Zwar ist ein mechanisch wirkender Schalter in einem
Nebenschlussweg zum Steuerstromweg dargestellt, aber dieser Schalter- kann nur zum
Löschen des TRIACS und nicht zur dessen Zündung dienen. Bei der erfindungsgemässen
Schaltung mit der Steuerelektrode auf der von der Last abgekehrten Seite des Ventils
und mit einem mechanisch wirkenden temperaturabhängigen Schalter zum Öffnen und
Schliessen des Steuerstromweges wird die beabsichtigte Wirkung in einer bedeutend
einfacheren und billigeren Weise erzielt, die sich ausgezeichnet für den vorliegenden
Zweck eignet.
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Was den temperaturempfindlichen Kontakt und die Weise, in der dieser
auf den Steuerstromkreis einwirkt, betrifft, liegen mehrere Möglichkeiten vor, von
denen nachstehend Beispiele gegeben werden.
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Auf alle Fälle wird er, obwohl er stets bei Bedarf Steuerspannung
zur Verfügung stellt, immer nur einen schwachen Strom unter niedriger Spannung zu
schliessen und unterbrechen brauchen, d.h. er kann mit wenig Funkenbildung und kurzer
Trennstrecke und gegebenenfalls hauptsächlich hysteresislos arbeiten können.
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weitere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
mit Bezugnahme auf die Zeichnung hervorgehen, die einige Ausführungsbeispiele zeigt
Fig. 1 is ein Schaltschema für eine Ausführungsform der Thermostatschaltung.
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Fig. 2 und 3 zeigen in je einæ Projektion einen Thermostat, der in
der Ausfthrungsform nach Fig. 1 benutzt werden kann.
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Fig. 4, 5 und 6 sind Schaltschemen für je eine weitere Ausführungsform
der Thermostatschaltung.
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In allen dargestellten Ausführungen wird die Last L vom Netz 1 über
ein elektronisches Ventil V in der Form eines TRIACS gespeist.
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Dieser kann bekanntlich zu einem. beliebigen Zeitpunkt der Halbwelle
mittelst eines Steuerstromes leitend gemacht werden, der so niedrig wie in der Grössenordnung
1/1000 des Arbeitsstromes liegen kann, und wird dann immer fortwährend bis zum Schlüss
der Halbperiode leitend sein. Bei dauernd angeschaltetem Steuerstrom mit der Frequenz
des Arbeitsstromes wird das Ventil somit stets-mit wechselnder Richtung in jeder
Halbperiode leitend werden.
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Das Ventil V ist mit seiner Steuerelektrode auf der Stromzufuhrseite,
d.h. auf der von der Last L abgekehrten Seite, angeordnet, sodass sie in stromlosem
Zustand des Ventils auf dem Potential der Netzklemme des Ventils liegt. Der Stromweg
zur Steuerelektrode ist über einen temperaturabhängigen Kontakt, beispielsweise
einen Bimetallthermostat t, von einem Punkt eines Spannungsteilers ausgeführt, der
aus einem ohmschen Widerstand 12 zwischen dem genannten Punkt und der Netzklemme
des Ventils und einem Widerstand 13 und einem Kondensator 14 zwischen dem Punkt
und der entgegengesetzten Netzklemme besteht.
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Der Spannungsteiler ist dafür bemessen einen-Strom, der nur einen
sehr kleinen Bruchteil des Laststromes ausmacht, zu führen, und gein weser «= licher
Scheinwiderstand ist auf das RC-Glied 13, 14 verlegt, sodass bei offenem Kontakt
nur eine ganz geringe Spannung über diesen liegt Wenn infolge sinkender Temperatur
der Thermostat den Steuerstrom schliesst, wird das Ventil dadurch leitend, dass
demselben ein Steuerstrom zugeführt wird, der zur Zündung fahrt, wodurch die Spannung
be das Ventil auf einen geringen Wert von beispielsweise 1 Volt abfällt und dasselbe
während des restlichen Teiles der Halbperiode-leitend
bleibt. Beim
Schluss der Halbperiode wird die zugeführte Steuerspannung wegen der kapazitiven
Schaltung seinen Höchstwert haben und daher sogleich am Anfang der nächsten Halbperiode
eine erneute Zündung bewirken. Durch entsprechende Bemessung der Bauteile des Spannungsteilers
ist es somit möglich die dargestellte Thermostatschaltung bei einer Spannung zur
Zündung zu bringen, die genügend niedrig ist, damit beim Ein- und Ausschalten-des
Thermostaten kein sogrosser Einschnitt in die Halbwelle gemacht wird, dass merkbare
Rundfunkstörungen eintreten. Beispielsweise können im Falle einer Netzspannung von
220 Volt die Widerstände 12 und 13 von je-etwa 500 Ohm sein, während der Kondensator
14 eine Kapazität von beispielsweise 0,1 pF haben kann, die eine kapazitive Reaktanz
mit einem vielfachen Ohmwert ergibt. Die Spannung am Thermostat bei unterbrochenem
Steuerkreis kann bei einer solchen Bemessung gering gehalten werden, beispielsweise
auf etwa 15 Volt. Der Steuerstrom durch den Thermostat kann weniger als 10 mA betragen.
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Wegen der niedrigen Steuerspannung kann der Thermostat t in diesem
Falle ohne Bedenken praktisch hysteresislos ausgeführt werden.
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Dafür kann man einen Thermostat in der Ausführung nach Fig. 2 und
3 verwenden. Hier ist der eine Pol 5 des Thermostaten an eine Bimetallfeder 6 angeschlossen,
die eine Kontaktniete 15 trägt, die mit einer festen Kontaktniete 16 einer Stellschraube
zusammenwirkt, die mit dem anderen Pol 9 in stromleitender Vebindung steht. Ein
solcher hérmostat wird nicht unmittelbar für hohe Stromstärken ~b-enutzt werden
können, da die Kontakte in kurzer Zeit abgebrannt und unbrauchbar werden würden.
Um einen sehr schwachen Steuerstrom unter sehr niedriger, sogenannter ungefährlicher
Spannung wie im Fall, Pal; zu unterbrechen , wird jedoch die Wirkungsweise völlig
genügend sein, und man kann sich die Anwendung eines solchen
hysteresislosen
Thermostaten zunutze machen, um eine sehr feine Schaltdifferenz und dadurch eine
sehr genaue thermische Regelung zu erzielen. Dies wird insbesondere dann der Fall
sein, wenn die Thermostatschaltung als ein besonderer Raumthermostat für Wandmontage
benutzt wird, indem die Schaltdifferenz so klein wird, dass der Thermostat ohne
weitere Massnahmen mit grosser Häufigkeit ein- und ausschalten wird.
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Die Tatsache, dass man mit einem an einen kapazitiven Spannung teiler
angeschlossenen Steuerkreis wie in Fig. 1 dargestellt, nicht nur mit einem schwachen
Strom, sondern auch mit einer sehr niedrigen Spannung im Steuerkreis arbeiten kann,
kann weiter dazu ausgenützt werden, den Thermostat in einem besonderen Niederspannungskreislauf,
beispielsweise ähnlich einem Klingelleitungskreis, ohne galvanische-Verbindung mit
dem Hauptstromkreis anzuordnen. Man könnte sich denken zu diesem Zweck einfach den
Thermostatkreis induktiv über einen Wandler an den eigentlichen Steuerkreis zu koppeln.
Jedoch sind Wandler für die hier in Frage kommenden kleinen Leistungen sc-hwer mit
einem genügenden Uebersetzungsverhältnis erhältlich. Es wird daher als mehr zweckmässig
angesehen, eine Ausführung wie in Fig. 4 angedeutet zu benutzen, bei der der Kreis
des Thermostaten t vom Netz aus über einen besonderen Wandler 17 gespeist wird und
eine Lampe 18 enthält, die einen strahlungsempfindlichen Widerstand 19 im Steuerkreis
bestrahlt.
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In derAusführung nach Fig. 5 bezeichnen wieder L die Last, V das
elektronische Ventil, das auch hier von einem TRIAC gebildet wird, und t den Thermostat.
Der Thermostat t ist hier dazu eingerichtet, solange die Grenztemperatur nicht unterschritten
ist, den Steuerstromweg des Ventils V kurz-zu-schliessen. Diese SteuerelelitzuSe
wird über einen- aus einem ohmschen Widerstand 13 und einem Wondellsltot
14
bestehenden kapazitiven Scheinwiderstand an die entgegengesetzte Netzspannung angeschlossen.
Im Normalzustand wird also über den Widerstand 13, der Kondensator 14 und den Thermostat
t ständig ein Wechselstrom fliessen, der aber bei geeigneter Bemessung sehr schwach
gehalten werden kann. So hat in einer ausgeführten Schaltung der Widerstand 13 einen
Wert von 470 Ohm und der Kondensator 14 eine Kapazität von Q,56 tF.
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Wenn der Thermostat t anspricht und den Kurzschlussweg öffnet, wird
somit auf die Steuerelektrode des Ventils eine Wechselspannung aufgedrückt, die
der benachbarten Netzklemme gegenüber von geeigneter Höhe und Phase ist, damit das
Ventil in der Nähe jedes Nulldurchganges des Arbeitsstromes zündet, also leitend
wird, sodass durch die last L, d.h. beispielsweise durch die Widerstandskörper des
Raumheizgerätes, Strom fliessen wird, bis die Raumtemperatur wieder so viel gestiegen
ist, dass der Thermostat t erneut Kontakt schliesst, sodass die Spannung über den
Steuerstromweg des Ventils fortfällt.
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Man wird einsehen, dass im Vergleich mit der Ausführung nach Fig.
1 diejenige nach Fig. 5 eine Vereinfachung darstellt, insofern als die notwendige
Begrenzung des Steuerstromes und die erwünschte Herabsetzung der Spannung am Thermostatkontakt
der Netzspannung gegenüber sowie die erwünschte Phasenverschiebung zwischen Netzspannung
und Steuerspannung hier in einer einfacheren Weise erzielt werden, indem man kein
Spannungsteilerbraucht, sondern die Steverelektrode lediglich über einen von clrm
Widerstand 13 und dem Kondensator 14 gebildeten kapazitiven Scheinwiderstand an
Netzspannung anschliessen kann. Man kann mit anderen Worten den einen Widerstand
(12, Fig. 1) des Spannungsteilers sparen.
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Weiter zeigt Fig. 5 eine Möglichkeit, die von Interesse sein kann
für den Fall, dass ein Thermostat mit einem gewissen Hysteresis
benutzt
wird, bzw. dass es erwünscht ist, den Thermostat unmittelbar am Raumheizgerät anzubringen.
Pür solche Anwendungen kann man ein Beschleunigungselement 10 in der Form eines
thermischen Rückstellwiderstandes vorsehen, der mit der Last L parallelgeschaltet
wird, sodass er Netzspannung erhält, wenn das Ventil V leitend ist, und dazu führt,
dass der Thermostat t den Nebenschluss zum Steuerstromweg früher öffnen wird, als
er es sonst tun würde. Weiter ist als Nebenschluss zum Ventil ein Kompensationselement
11 in der Form eines Widerstandes vorgesehen, der in einer grösseren keramischen
Masse eingebaut ist um hinreichend grosse thermische Trägheit zu erhalten.
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Dieser Widerstand hat zur Aufgabe diejenige Wärme zu ersetzen, die
allmählich verschwindet, wenn die Ausschaltzeiten des Ventils länger werden, und
dadurch dafür zu sorgen, dass der Thermostat sowohl bei grossem als bei kleinem
Leistungsbedarf auf die gleiche Raumtemperatur regelt.
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Eine solche Kompensationsschaltung wird selbstverständlich auch in
Zusammenhang mit einer Schaltung nach Fig. 1 benutzt werden können.
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In der Ausführung nach Fig. 6 sind das Ventil V, die Last L, det
Thermostat t und der Scheinwiderstand 13, 14 in dergleichen Weise wie nach Fig.
5 geschaltet. Der Thermostatkontakt t ist aber in diesen Falle ein Schutzrohrkontakt
(sogenannter dry-reed"-Kontakt), der bekanntlich aus zwei elastischen, in einem
Glasrohr hermetisch eingeschlossenen ferromagnetischen Kontaktarmen besteht. Diese
können mittelst des Feldes des dargestellten, an einem Bimetallstreifen befestigten
Permanentmagneten mit-einander in Kontakt gebracht werden.
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Eine ganz kurze Bewegung, beispielsweise etwa 1 mm, kann genügen um
den Kontakt in Abhängigkeit der Temperatur des Bimetallstreifens aus-und einzuschalten.
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Diese Ausführung eignet sich für die Anwendung in -Fällen, in denen
nicht darauf Gewicht gelegt wird, dass der Thermostat praktisch hysteresislos sein
soll. Andererseits erzielt man den Vorteil einer vollständig staubsicheren Ausführung
und überhaupt einen einfachen und äusserst sicher wirkenden Thermostat, bei dem
die Aus- und Einschaltung sprungartig erfolgt, sodass ein wohldefinierter Schaltvorgang
erreicht wird.
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Da dieser Thermostatkontakt wieerwähnt eine gewisse Hysteresis haben
wird, kann es auch hier von Interesse sein ein Beschleunigungselement 10 und ein
Kompensationselement 11 zu benutzen, die auf die Temperatur des Bimetallstreifens
einwirken, wie in Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert. In der Darstellung nach Fig.
6 ist das Kompensationselement 11 stets als Nebenschluss zum Ventil ge--schaltet,
während das Beschleunigungselement 10 in diesem Falle in den Steuerstromweg des
Ventils V verlegt ist. Jedoch wird es hier immernoch in entsprechender Weise wie
das Element 10 in Fig. 5 arbeiten, indem es Strom-erhalten wird, wenn der Kontakt
t offen ist, also wenn das Ventil -V leitet.