DE2212286A1

DE2212286A1 - Vorrichtung zur Steuerung des Stromes im Lastkreis einer Gleichstromquelle

Info

Publication number: DE2212286A1
Application number: DE19722212286
Authority: DE
Inventors: Baker Donal E
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-03-15
Filing date: 1972-03-14
Publication date: 1972-09-28
Also published as: IT950152B; NL7203377A; DE2212286B2; GB1379167A; CA926935A; US3710231A; JPS4731150A; FR2129679A5; JPS5328617B1

Description

WESTINGHOUSE . Erlangen, 13. MRZ. 1972

Electric Corporation Werner-von-Siemens-Str.50

Pittsburgh, Pa., USA

Unser Zeichen: VPA 71/8343

WE Case No. 42.462

Vorrichtung zur Steuerung des Stromes im Lastkreis einer Gleichstromquelle

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Stromes im Lastkreis einer Gleichstromquelle mit einem steuerbaren Schaltelement im Lastkreis und einem Steuersignalgeber, der ein mit Stromspitzen behaftetes Steuersignal für das steuerbare Schaltelement abgibt.

Die Überlegenheit von Halbleiterschaltelementen gegenüber elektromechanischen Schaltelementen ist bekannt. Besonders interessant ist die Verwendung von Halbleiterschaltelementen in Leistungsversorgungssystemen für die Luft- und Raumfahrt. Geforderte Betriebseigenschaften dieser Versorgungssysteme sind insbesondere eine kurze Ausschaltzeit bei Störungen, die Möglichkeit Einschaltströme zu begrenzen, eine Fernsteuerung durchzuführen und allgemein die Last und das Leitungssystem zu schützen. Diese Eigenschaften sind wesentlich einfacher mit Halbleiterschaltelementen als mit konventionellen, mechanischen oder thermischen Unterbrechern zu erhalten.

Verschiedene Leistungssysteme, insbesondere Leistungssysterne, die in der Luftfahrt verwendet werden, erfordern Regelgeräte für die Gleichstromleistung, wobei jeweils ein Gerät für verschiedene Bürden des Systems vorzusehen ist. Diese Regelgeräte müssen den Maximalstrom begrenzen, wenn eine Störung auftritt. Mit einer definierten oberen Grenze für den bei einer Störung fließenden Strom kann das System mit elektrischen Leitern aufge-

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"baut werden, deren Durchmesser gerade so groß ist, daß die Leitern den normalen Strom sicher führen können. Wegen der großen Leiterlängen in solchen Versorgungssystemen, die eine Länge von mehreren Kilometern betragen kann, wirkt sich der Leiterdurchmesser auf das Gesamtgewicht des Systems und auf den Kostenaufwand beträchtlich aus. Eine Strombegrenzung ist auch wichtig, um Schwingungsvorgänge im Versorgungssystem zu unterdrücken. Mit statischen Halbleiterbauelementen kann die geforderte Strombegrenzung erreicht werden. Es stellte sich jedoch heraus, daß dabei andere Eigenschaften des Versorgungssystems in unerwünschter Weise verändert werden. Neben einer begrenzten Größe des Stromes ist es erforderlich, daß mit einem Regler für die Versorgungsieistung während einer Störung oder bei Überlast im Lastkreis ein steuerbarer, rauscharmer Strom geringer Welligkeit erhalten wird. Mit bekannten Schaltungen zur Steuerung der Leistung in Versorgungssystemen werden diese Forderungen nicht erfüllt, ohne die Regelgeschwindigkeit zu vermindern oder die Kosten und den Aufwand zu erhöhen.

Es besteht die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der mit geringem Aufwand eine schnelle Steuerung bei rauscharmem Strom geringer Welligkeit möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Mittel zur Unterdrückung der Stromspitzen zwischen dem Steuersignalgeber und der Steuerelektrode des Schaltelementes angeordnet sind. Zur Unterdrückung der Stromspitzen kann wenigstens eine Verstärkerstufe und ein Strombegrenzer vorgesehen sein, mit dem die Verstärkerstufe abhängig von Schwankungen des Laststromes steuerbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein gesteuerter, rauscharmer Strom geringer Welligkeit erhalten, da im Steuersignalgeber erzeugte Störungen nicht bis in den Lastkreis durchgreifen können. Es läßt sich damit, wie in bekannten Vorrichtungen, zur Steuersignalübertragung ein Transformator mit sättigbarem

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Kern "benützen. Stromspitzen, die durch die Eigenschaften des Übertragers entstehen, werden jedoch nicht in den Lastkreis eingekoppelt.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt:

Pig. 1 ein Schaltbild einer bekannten Vorrichtung zur Steuerung des Stromes im Lastkreis einer Gleichstromquelle ;

Fig. 2 den Spannungs- und Stromverlauf beim Betrieb einer Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung des Stromes im Lastkreis einer Gleichstromquelle ;

Fig. 4 Spannungs- und Stromverläufe in einer Vorrichtung nach Fig. 3.

In Fig. 1 ist die Schaltung einer bekannten Vorrichtung dargestellt, wie sie beispielsweise im Handel erhältlich ist. Bei dieser Vorrichtung ist der Kollektor eines Transistors 10, der beispielsweise ein NPN-Leistungstransistor sein kann, mit der positiven Ausgangsklemme einer Gleichspannungsquelle 11 verbunden. Der Emitter des Transistors 10 liegt an der Last 17, der zweite Anschluß der Last 17 führt zum Nullpotential. Der Transistor 10 kann als Verstärker im "Α-Betrieb" bis zur Sättigung betrieben werden. Seine Verstärkungseigenschaften sind durch den Steuerstrom und die Steuerspannung bestimmt, die an die Basis des Transistors 10 gelegt werden. In der Schaltung nsch Fig. 1 ist als Steuersignalgeber ein Sättigungstaktgeber 16 benutzt, der durch den gestrichelten Linienzug eingerahmt ist. Dieser Sättigungstaktgeber 16 weist einen Übertrager 12 mit sättigbarem Kern auf, der eine Primärwindung 13 mit.Mittelanzapfung und zwei Sekundärwindungen 14 und 15 besitzt, die ebenfalls Mittelanzapfungen aufweisen.

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Die Mittelanzapfung der Primärwindung 13 ist über eine Regeleinrichtung 18 mit der positiven Anschlußklemme der Stromversorgungsquelle 11 verbunden. Die Regelvorrichtung 18 ist ein Konstantstromhalter, über den die Mittelanzapfung der Primärwindung 13 mit konstantem Strom versorgt wird. Der Sättigungstaktgeber ist aus zwei Transistoren 20 und 22 aufgebaut. Eine Außenanzapfung der Wicklung 13 ist über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 20 und über den Widerstand 21 und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 22 mit Nullpotential verbunden. Die zweite Außenanzapfung der Wicklung 13 ist über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 22 und außerdem über den Widerstand 23 und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 20 geerdet.

Über die Sekundärwicklung 14 wird die Basis des Transistors 10 angesteuert. Jede Außenanzapfung der Wicklung 14 ist über eine Diode 24 bzw. 25 an die Basis des Transistors 10 geführt. Die Dioden 24 und 25 sind parallelgeschaltet und liegen mit ihren Kathoden an der Basis des Transistors 10. Die Mittelanzapfung der Wicklung 13 ist mit dem Emitter des Transistors 10 verbunden.

Ein Strombegrenzer 26 ist mit den Anzapfungen der Sekundärwicklung 15 verbunden. Die zweite Sekundärwicklung 15 wird dazu benützt, einen Teil des Steuerstromes von der Wicklung 14 und damit γοη der Basis des Transistors 10 in Abhängigkeit vom Laststrom abzuzweigen, der durch den Widerstand 27 fließt und mit dessen Hilfe angezeigt wird. Damit ist es möglich, den Transistor 10 in einem Arbeitspunkt unterhalb der Sättigung zu betreiben, womit eine Verstärkung im "Α-Betrieb" ermöglicht wird. Diese Betriebsweise wird im folgenden als "Strombegrenzungsbetrieb" bezeichnet, im Gegensatz zur Sättigung, bei der der Transistor voll durchgesteuert ist.

Schaltungen gemäß Fig. 1 besitzen eine ausreichende Leistungsfähigkeit und einen genügend geringen Spannungsabfall, falls sie mit voll ausgesteuertem Transistor 10 betrieben werden. Be-

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wirkt jedoch, der Spannungsbegrenzer 26 eine Verringerung des Steuerstromes, so erhält man einen äußerst welligen und mit Brumm "behafteten Strom im Leistungskreis. In erster Linie resultiert dies daraus, daß jeder Transformator eine beachtliche Streuinduktivität aufweist, durch die Spannungs- und Stromspitzen hervorgerufen werden, die im wesentlichen nur dadurch zu vermeiden sind, daß man auf die Ansprechzeit einwirkt.

Pig. 2 zeigt den Strom- bzw. Spannungsverlauf an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Mg. 1. Die Fig. 2 illustriert, daß die Schwingungs- bzw. Impulsspitzen beim "A-Betrieb" des Transistors 10 sich bis in den Lastkreis fortpflanzen. Die aufgezeichneten Spannungen bzw. Ströme sind an den gekennzeichneten Punkten des Schaltbildes nach Fig. 1 gemessen. Vp ist die Spannung, die an der halben Primärwindung 13 liegt. Vg ist die Spannung, die an der halben Sekundärwicklung 14 abfällt. V^ ist die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 13. I-n ist der Steuerstrom für den Transistor 10. I„ ist der. Kollektorstrom des Transistors 10, er ist der Ausgangsstrom, mit dem durch die Steuervorrichtung die Last gespeist wird. Der Figur entnimmt-man, daß die Stromspitzen im Laststrom L·, groß sind.

Modifikationen einer Schaltung nach Fig. 1, bei denen der Konstantstromregler 80 mehr direkt und weniger über die Wicklung 13 gesteuert wird, weisen die gleichen Fehlerquellen auf. In jedem Fall ist die Beeinflussung des Steuerstromes für den Transistor 10 durch den Transformator 12 die gleiche und läßt keine Möglichkeit der Steuerung oder Begrenzung der Spannungsund Stromspitzen auf der Sekundärseite des Übertragers zu.

In Fig. 3 ist das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese Vorrichtung weist einen genügend kleinen Spannungsabfall bei verbesserter Steuerung eines begrenzten Laststromes auf, wobei die Stromspitzen eines Steuersignalgebers, beispielsweise eines Sätti-

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gungstaktgebers durch eine oder mehrere Verstärkerstufen unterdrückt werden, bevor das Steuersignal dem Leistungsschaltelement zugeführt ist. Dabei ist die Vorrichtung zur Strombegrenzung getrennt vom Steuersignalgeber angeordnet. Eine solche Vorrichtung ist auch zur Leistungsfernsteuerung geeignet.

In Fig. 3 ist ein Transistor Q1 als Leistungsschalter in der Speiseleitung zwischen einer Spannungsquelle 30 und einer Last 40 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist der Transistor Q1 ein NPN-Transistor, dessen Kollektor mit 31, dessen Basis mit 32 und dessen Emitter mit 33 bezeichnet ist. Der Kollektor 31 des Transistors Q1 ist mit der positiven Ausgangsklemme der Spannungsquelle 30 verbunden. Der Emitter 32 des Transistors Q1 ist mit dem Verbindungspunkt 35 verbunden, an dem der nicht geerdete Anschluß der Last 40 liegt. Ein Sättigungstaktgeber 36 ist zur Erzeugung der Steuersignale für den Transistor Q1 vorgesehen. Der Oszillator 36 enthält ein Übertrager T1 mit sättigbarem Kern, der eine einzige, mit mehreren Anzapfungen versehene Wicklung 37 aufweist. Die äußeren Anschlüsse 38 und 39 der Wicklung 37 sind mit Widerständen R5 und R6 und Transistoren Q5 und Q6 so verbunden, daß man einen Sättigungstaktgeber erhält, wie er im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. Die Mittelanzapfung 41 der Wicklung 37 ist mit dem Verbindungspunkt 34 zwischen Last und Kollektor 31 des Transistors Q1 verbunden und ist außerdem über den Kondensator C1 an die Emitter der Transistoren Q5 und Q6 geführt. Zwischenanzapfungen 42 und 43 der Wicklung 37, die symmetrisch zur Mittelanzapfung 41 liegen, sind jeweils mit den Anoden von Dioden CR1 und CR2 verbunden, deren Kathoden am Verbindungspunkt 44 liegen, der mit der Leitung 45 verbunden ist.

Ein'Verstärker 47 enthält Transistoren Q2, Q3 und Q4. Der Emitter des NPN-Transistors Q2 ist mit der Leitung 45 und der Kollektor dieses Transistors mit der Basis 32 des Transistors Q1 und über den Widerstand R1 mit der Leitung bzw. dem Verbindungspunkt 35

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verbunden. Der Kollektor des NPN-Transistors Q3 liegt direkt an der Basis des Transistors Q2 und über den Widerstand R2 an der Leitung 45. Der Emitter des Transistors Q3 ist an die Leitung 35 geführt. Der Emitter des NPN-Transistors Q4 liegt an der Leitung 45, der Kollektor dieses Transistors ist mit der Basis des Transistors Q3 und über den Widerstand R4 mit der Leitung 35 verbunden. Die Basis des Transistors Q4 ist über den Widerstand R4 an die Leitung 45 und über den Widerstand R8 an einen Strombegrenzer 46 geführt, auf den noch eingegangen wird. Die Transistoren Q2, Q3 und Q4 sind als Kaskadenverstärker geschaltet und weisen einen gemeinsamen Ausgang 48 auf, der an der Basis 32 des Transistors Q1 liegt. Der Verstärker 47 wird vom Strombegrenzer 46 angesteuert. Die Emitter der Transistoren Q5 und Q6 sind durch einen Widerstand R7 mit dem Kollektor eines Transistors Q7 verbunden, dessen Emitter geerdet ist. Mit dem Transistor Q7 kann- die Steuerung betätigt werden.

Im Betriebszustand, d.h. bei angesteuertem Transistor Q7 wird von dem Sättigungstaktgeber 36 über die Stromrichterventile CR1 und CR2 der Verstärker 47 mit Strom versorgt. Das Verhältnis der Windungen Np zu N-, der Wicklung 37 und der Widerstandswert des Widerstandes R7 sind so aufeinander abgestimmt, daß die Leitung 45 einen genügend'großen Strom führt. Dabei ist Np die Anzahl der Windungen zwischen den Anzapfungen 38 und 41 und N^ die Anzahl der Windungen zwischen den Anzapfungen 41 und 42.

Es sei vorausgesetzt, daß die Ansprechgrenze der Steuervorrichtung bei einem Strom liegt, der 1,5 mal so groß wie der normale Strom ist. Erst dann soll eire Strombegrenzung erfolgen*, Falls diese Bedingung eintritt, wird der Transistor Q4 und mit ihm der gesamte Leistungsschalter, der aus den Transistoren Q1, Q2, Q3 und Q4 besteht, angesteuert. Der Spannungsabfall an dem Transistor Q1 wird dann gleich oder kleiner sein als der Spannungsabfall, den man bei dem Schaltkreis nach Pig. 1 für normale Lastbedingungen erhält. In dem Maße, indem der Laststrom von Null aus anwächst, muß auch die Aussteuerung von Q1 anwachsen.

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Unter Überlastbedingungen wird Basisstrom im Ausmaß der Oszillatorkapazität von der Versorgungsquelle 30 geliefert. Der Schalter hat einen höheren Spannungsabfall für Überlastbedrngungen als der beschriebene, bekannte Schaltkreis, dies ist jedoch akzeptierbar. Bei bekannten Schaltkreisen erfordert Überlast einen höheren Steuerstrom für den Transistor, der dem Transistor Q1 entspricht, was die Leistungsfähigkeit des Systemes beeinflußt.

Während des Betriebes als Strombegrenzer wird der Sättigungszustand des Transistors Q1 direkt durch Steuerung des Stromes I_c gesteuert. Der Strom Iq kann so klein wie erforderlich gemacht werden, indem weitere Verstärkerstufen zwischen die Leitungen 35 und 45 eingefügt werden. Im Ausführungsbeispiel sind vier Verstärkerstufen mit den Transistoren Q1 bis Q4 vorgesehen. Falls ein Laststrom von 10 A überwacht werden muß, sollte ein Strom I_n von ungefähr 1 mA oder weniger fließen. Bei solchen Strömen ist es möglich, integrierte Schaltkreise für den Strombegrenzer zu benützen, was bei bekannten Vorrichtungen nicht möglich ist.

Auch während des Betriebes als Strombegrenzer ist der Ausgang des Oszillators 36 nicht direkt mit dem Leistungstransistor Q1 verbunden. Falls der Transistor Q1 nicht voll ausgesteuert ist, sondern im "Strombegrenzungsbetrieb" arbeitet, ist auch der Transistor Q2 nicht in Sättigung. Befindet sich der Transistor Q2 im linearen Teil seiner Kennlinie, so dient er für seine Last Q1 als Stromquelle. Demzufolge bewirken Spannungsspitzen am Ausgang des Übertragers T1 über das Stromrichterventil CR1 keine Stromspitzen in der Basis von Q1. Die Möglichkeit, daß solche Stromspitzen entstehen, wird außerdem von der exponentiellen Kennlinie der Stromrichterventile CR1 und CR2 reduziert, mit den^n jede Spannungsspitze des Transformators T1 vermindert wird, bevor sie auf den Transistor Q1 eim'ekoppelt werdm

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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist als Transformator T1 ein Spartransformator mit einer einzigen, mehrfach angezapften Wicklung 37 benützt. Es kann jedoch auch eine isolierte Sekundärwindung vorgesehen sein, mit der die Anzapfungen 41, 42 und 43 zu verbinden sind. Mit einer solchen isolierten Sekundärwindung kann der Laststromistwert für den Strombegrenzer in anderer Weise gewonnen werden. Vorzuziehen ist es dann, in den Lastkreis einen Widerstand einzufügen, und die am Widerstand abfallende Spannung als Maß für den Stromistwert zu wählen.

Der Strombegrenzer 46 kann verschiedenartig ausgeführt sein. Sein Zweck ist es, die Größe des Stromes I« zu steuern, was eine umgekehrte Wirkung auf die Größe des Laststromes L. hat. Der Begrenzer 46 kann ein von Hand betätigbarer Widerstand oder ein Transistor sein, der so geschaltet ist, daß I_ß verändert werden kann. Vorzugswelse steuert der Begrenzer 46 die am Widerstand R8 abfallende Spannung und damit den Strom I~ mittels eines Istwertgebers 49 für den Laststrom. Der Geber 49 kann ein Verstärker mit einem Widerstand an irgendeinem Punkt zwischen den Verbindungspunkten 34 und 35 sein und damit in der oben angedeuteten Weise-den Istwert des Laststromes angeben. Bevorzugt wird eine Arbeitsweise des Strombegrenzers, bei der der Strom I_n verkleinert wird, falls der Laststrom I_T einen vorgegebenen Wert erreicht, wobei die Stromreduzierung unabhängig von der Impedanz der Last sein soll.

In Mg. 4 ist der Verlauf verschiedener Spannungen und Ströme des Schaltkreises nach Pig. 3 dargestellt, wie sie bei einer Strombegrenzung auftreten. Die Übereinstimmungen und Unterschiede mit den entsprechenden Strömen bzw. Spannungen des bekannten Schaltkreises, die in Fig. 2 dargestellt sind, sind deutlich. Hervorzuheben ist, daß der Laststrom I_T keine Stromspitzen aufweist.

Eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, wurde ausgeführt und erfolgreich erprobt. Hierzu wurden folgende Bauelemente benützt:

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Transistor Q1

Transistor Q2 Transistor Q3 Transistor Q4 Transistor Q5 Transistor Q6 Transformer T1 Westinghouse, Type 125, 2N2117

2U379O

2N4829 2N2243 2N2243 11:1 V/indungsve rhältnis

Diode CH1 Diode CR2 Widerstand R1 Widerstand R2 Kondensator C1 Widerstand R3 Widerstand R4 Widerstand R5 Widerstand R6 Widerstand R7 Widerstand R8 Last 40
Spannungsquelle 1N4942 1N4942 47 ohm 56 ohm 5,6 microfarad 1000 ohm 2000 ohm 5100 ohm 5100 ohm 80 ohm 10,000 ohm 2,8 ohm 30 Volt

Mit dieser Vorrichtung erhielt man folgende Betriebsergeb

nasse:

Spannungsabfall: elektrischer Wirkungsgrad: Ansprechzeit: Strombegrenzungsfähigkei t: Welligkeit: Stromanteil: 0,32 Volt 97-98 io bei voller Last kleiner als 20 m/sek 15 A

kleiner als 1 ^c'> kleiner als 1 ?'>

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Diese Ergebnisse sind im Vergleich mit Ergebnissen bekannter Vorrichtungen äußerst günstig.

In der Schaltung nach Fig. 3 ist eine genügende Stromkontrolle mittels des Widerstandes R 7 erhalten. Ein Konstantstromhalter 18, wie er in Fig. 1 enthalten ist und der normalerweise zusätzliche aktive Elemente, beispielsweise Transistoren enthält, ist unnötig.

6 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

ί 1. /Vorrichtung zur Steuerung des Stromes im Lastkreis einer Gleichstromquelle mit einem steuerbaren Schaltelement im Lastkreis und einem Steuersignalgeber, der ein mit Stromspitzen behaftetes Steuersignal für das steuerbare Schaltelement abgibt, dadurch gekennzeichnet,daß Mittel (47,46) zur Unterdrückung der Stromspitzen zwischen dem Steuersignalgeber (36) und der Steuerelektrode (32) des Schaltelementes (Q1) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Stromspitzen wenigstens eine Verstärkerstufe (47) und ein Strombegrenzer (46) vorgesehen ist, mit dem die Verstärkerstufe abhängig von Schwankungen des Laststromes steuerbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Steuersignalgeber einen Übertrager mit sättigbarem Kern enthält, der wenigstens eine Wicklung mit Mittelanzapfung aufweist, wobei zwei zur Mittelanzapfung symmetrische Anzapfungen der Wicklung über zueinander parallele Stromrichterventile miteinander verbunden sind und die Mittelanzapfung der Wicklung mit der Gleichstromquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (45) der Verstärkerstufe (47) mit dem Verbindungspuhkt (44) der Stromrichterventile (CE1, CR2) der Ausgang (48) der Verstärkerstufe mit der Steuerelektrode (31) des Schaltelementes (Q1) im Lastkreis und der Steuereingang der Verstärkerstufe mit dem Strombegrenzer (46) verbunden ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3 mit einem Sättigungstaktgeber als Signalgeber, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schaltelemente (Q) Transistoren sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer (46) durch die Verstärkerstufe (47) elektrisch vom Übertrager (T1) getrennt ist.
6. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Energieversorgungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbares Schaltelement im Lastkreis ein Leistungstransistor vorgesehen ist.

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