DE2335153A1

DE2335153A1 - Zustandssteuersystem mit kapazitiver differenzspannung

Info

Publication number: DE2335153A1
Application number: DE19732335153
Authority: DE
Inventors: C Douglas Gustus
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1972-07-21
Filing date: 1973-07-11
Publication date: 1974-02-07
Also published as: GB1413233A; US3784843A; CH556574A; JPS5716686B2; NL7309815A; CA991731A; JPS4951488A

Description

"Zustandssteuersystem mit kapazitiver Differenzspannung"

Die Erfindung betrifft ein Zustandssteuersystem mit einem zur Erzeugung einer Spannungsdifferenz innerhalb eines Eingangskreises dieses.Systems dienenden Speicher·

Bei Zustandssteuereinrichtungen wie beispielsweise Thermostaten ist es gewöhnlich erwünscht)hinsichtlich des Betriebspunktes um den die Zustandseinrichtung arbeitet, eine Art Differential zu haben· Pur mechanisch arbeitende Thermostaten existiert ganz natürlich ein mechanisches Differential zwischen dem Einschaltzustand und dem Ausschaltzustand. Hinsichtlich elektronisch arbeitender Thermostaten welche beispielsweise aus Pestkörperschaltkreisen aufgebaut sein können, müssen Einrichtungen vorgesehen sein.um ein Differential in den Betriebspunkten von dem Ausschaltzustand zu dem Einschaltzustand zu erhalten.Der Wunsch und die Notwendigkeit eine derartige Differenz zur Verfügung zu stellen hat sich aus der Praxis ergeben und ist durch eine ganze Heins von Einrichtungen dargestellt worden. Derartige

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Einrichtungen wurden zum Beispiel in den US-PS 3 243 609 und 3 514 628 beschrieben. In der US-PS 3 243 609 wird die Anwendung einer mittels einer Zenerdiode erzeugten Spannung beschrieben, welche ein Mittel zur Erzeugung einer phasenempfindlichen Steuereinrichtung bildet. In der US-PS 3 514 628 wird die Verwendung eines Kondensators geschildert, welcher nach der Erregung einer Last durch die Durchschaltung eines Thyristors aufgeladen wird. Die Spannungsdifferenz an dem Kondensator wird dann durch einen eine langsame Entladung bewirkenden Entladungspfad erhalten, welcher durch zwei Widerstände gebildet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es ein. gegenüber den genannten Zustandssteuersyßtenien verbessertes Zustandssteuersystem zu schaffen, bei welchem in verbesserter Weise die Schaffung eines Differentiale bewirkt wird.

Die Aufgabe wird dadruch gelöst, daS ein mit einer Kapazität und einem Zustandsfiihler versehenes Spannungsteilernetzwerk vorgesehen ist, daß eine Spannung gleichbleibender Polarität abgebende Spannungsquelle zur Zufuhr einer Spannung und zur Aufladung der Kapazität mit dem Spannungsteilernetzwerk verbunden ist, wobei in dem Spannungsteilernetzwerk eine Differenzspannung erzeugt wird, deß ein mit Eingangskreisen versehener Verstärker an das Spannungeteilernetζwerk angeschlossen ist, wobei ein Ausgangskreie des Verstärkers mit einer Festkörperechalt- «inrichtung verbunden ist, welche zur von dem Zustand esa Zuatandefühlers abhängigen Stromleitung betätigt wird, und daß ein Entladekreis die' Kapazität mit der Festkörperschalteinrichtung verbindet- , so daß die Festkörper schalteinrichtung die Kapazität entlädt, wenn die Festkörperschalteinrichtung leitend ist und dabei die Differenzspannung des Spannungsteilernetzwerks beseitigt um das Zustandsteuersyatem iu einen stabilen Betriebszustand zu bringen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprächen·

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert, in der die vollständige schemati- . sehe Darstellung eines mit zwei Anschlußdrähten versehenen Thermostaten gezeigt ist, der im Ein-Aus-Schaltbetrieb arbeitet, wie er in der genannten amerikanischen Patentschrift 5 514- 628 erläutert wurde, der aber gegenüber dem bekannten Thermostaten durch einen besonderen Entladekreis in seiner Wirkungsweise erheblich verbessert ist.

Eine Wechselspannungsquelle 10 mit niedriger Spannung, welche beispielsweise als Sekundärwicklung eines abwärts transformierenden Transformators gebildet sein kann, ist über Versorgungsleitungen 11 und 12 und eine Last 13 an zwei Anschlußklemmen 14 und 15 einer Zustandsfühlerschaltung 16 angeschlossen. Die Anschlußklemme 14 ist über eine Leitung 20 an einen Gleichrichter 21 angeschlossen, welcher als Doppelweggleichrichterbrücke ausgestaltet ist und aus vier Dioden 22 besteht, welche wiederum über . : eine Leitung 23 zurück zu der Anschlußklemme 15 geführt sind. Durch diese Anordnung ist eine vollweggleichgerichtete aber ungefilterte Spannung zwischen den Verbindungspunkten 24 und 25 abgreifbar.

Der Verbindungspunkt ist an eine erste Impedanz 26 angeschlossen, welche als Widerstand ausgestaltet und mit einer spannungsabhängigen Durchach&lteinrichtung 27 verbunden ist, die vorzugsweise als Vierschichtdiode ausgeführt wird. Der aus der Impedanz 26 und der epennungsabhängigen Durchschalteinrichtung 27 gebildete erste Schaltkreis ist zwischen die Verbindungspunkte 24 und 25 geschaltet. Während des Beginns jeder Halbw-elle der angelegten Netzspannung liegt an der spannung«- abhängigen Durchsehalteinrichtung eine ansteigende Spannung, die so lange ansteigt, biß die Durchschaltspannung erreicht wird, wobei sie plötzlich leitend wird und dabei einen zwischen der Impedanz 26 und der spannungsabhängigen Durchschalteinrichtung 27 liegenden Verbindungspunkt im wesentlichen auf die an dem Verbindungspunkt 25 herrechende Spannung kurzschließt.

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Ein zweiter Schaltkreis läuft von dem Verbindungspunkt 24 über eine vorzugsweise als Widerstand 31 ausgestaltete Impedanz zu einem durch einen Transistor Q1 gebildeten Festkörperschalter. Von dem Pestkörperschalter Q1 läuft der zweite Schaltkreis weiter zu einem Zustandsfübler, der durch einen Widerstand 32 gebildet ist, welcher in Reihe mit einer parallel Kombination aus einem temperatur-empfindlichen Widerstand 33 und einen line arisierendeη Widerstand 34 geschaltet wurde. Von dort läuft der zweite Schaltkreis dann weiter über ein Sollwertpotentiometer zu dem Verbindungspunkt 25. Der auf einen Zustand,hier beispielsweise die Temperatur, ansprechende Widerstand 33 wurde in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein einen negativen Temperaturkoeffezienten aufweisender Thermistor ausgebildet und in gebräuchlicher Weise zur Temperaturmessung ausgenutzt..

Parallel zu dem als Transistor ausgestalteten Festkörperschalter Q1 und dem aus den Widerständen 32, 33, 34 und 35 gebildeten Spannungsteiler ist die Reihenschaltung aus einer Diode 36 und einem Kondensator 37 geschaltet. An dem Verbindungspunkt 40 zwischen der Diode 36 und dem Kondensator 37 liegt ein Widerstand 41,dessen anderer Anschlußpunkt zu einem Verbindungspunkt 42 zwischen zwei Widerständen 43 und 49 geführt ist, welche als Spannungsteiler dienen. Der andere Anschlußpunkt des Wideretands 41 liegt weiterhin noch an dem einen Eingang eines Differentialverstärkers 44. Der andere Eingang des Differentialverstärkers 44 ist zu einem Verbindungspunkt 45 zwischen dem Widerstand 32 und der Paralel!kombination des temperatur-empfindlichen Widerstandes 33 und des linear!sierenden Widerstandes 34 geführt.Dabei hat, wie weiter oben schon erläutert der temperatur-empfindliche Widerstand einen negativen Teraperaturkoeffizientenjwährend der Widerstand 34 zum Einstellen der Charakteristik des Thermostaten dient.

Der Different!alverstärker 44 besitzt 2 Transistoren Q2 und Q3» welche in Verbindung mit Strom vergleichenden Transistoren

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Q4 und Q5 stehen. Die die Durchgangsströme vergleichenden Transistoren Q4 und Q5 haben über eine Diode 46 und einen Widerstand 47 einen Ausgang, welcher mit dem Gatter 48 eines vorzugsweise als Thyristor 50 ausgestalteten Festkörperschal-, ters verbunden ist.Der Thyristor 50 ist an zwei Widerstände 51 und 52 angeschlossen)welche den Teil eines Ausgangskreises für den Differentialverstärker 44 bilden. Der Differentialverstärker wird nachfolgend mit der Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Steuersystems nur kurz beschrieben werden. Nähere Angaben über derartige Verstärker lassen sich beispielsweise in der oben genannten US-PS 3 514 628 entnehmen.

Die Verbindung 40 ist über eine Leitung 38 und eine als Widerstand 39 ausgestaltete Impedanz sowie eine Leitung 59 zu einem Verbindungspunkt zwischen dem als Festkörperschalter wirkenden Thyristor 50 und dem Widerstand 52 geführt. Eine Diode 69 ist zwischen den Widerständen 51 und 52 angeordnet, um eine mögliche Entladung des Kondensators 37 durch Kriechströme zu verhindern.

Die Verbindung des Widerstands 51 mit der Diode 69 ist über eine Leitung 53 an einen Transistor Q6 angeschlossen.Über den Transistor Q6 reicht die Verbindung des Verbindungspunkts zwischen dem Widerstand 51 und der Diode 69 weiter über einen Widerstand 54 und eine Diode 55» wodurch ein Strompfad von dem Tran-sis- ' tor Q1 über den Transistor Q6, dem Widerstand 54 und die Diode 55 geschaffen wird.Der Widerstand 54 wirkt als Vorspannungsgeber für den Transistor Q7» welcher in dem hier beschriebenen System eine neuartige Funktion übernimmt.Der Transistor Q7 hat eine Basis 56, welche an einen Verbindungspunkt 57 zwischen dem Kollektor des Transistors Q6 und dem einen Ende eines Widerstands54 angeschlossen ist. Der Emitter 58 des Transistors Q7 ist an einen Verbindungspunkt 60 zwischen dem Wi-^ derstand 54 und der Diode 55 geführt. Der Kollektor 61 des Transistors Q.7 steht in Verbindung mit einem aus zwei Wider-

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BADORiGINAL ^ νίί

ständen 62 und 63 gebildeten Spannungsteiler, «elcher ein Steuersignal für einen Festkörperleistungsschalter 64 schafft, welcher in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Triac ausgestaltet ist.Der Festkörperleistungsschalter steht über zwei Verbindungspunkte 65 und 66 direkt mit den Anschlußklemmen und 15 in Verbindung. Diese beiden Anschlußklemmen 14 und sind weiterhin durch eine Serienschaltung aus einem Widerstand 67 und einem Kondensator 68 miteinander verbunden, welche zur Aufnahmen von Spannungsstoßen dienen.

Vor einer weitergehenden Erläuterung der Wirkungsweise des Systems sollen für einige Bauelemente und Spannungen typische Werte angegeben werden um das System besser zu veranschaulichen. Die Wechselspannungsquelle 10 gibt vorzugsweise eine Sinuswechsel spannung mit einem Spitzenspannungswert von 54 Volt ab. Für die Widerstände 26 und 31 haben sich Widerstandswerte von 8 200 Ohm . bzw. 150 Ohm., bewährt. Die als Vierschichtdiode ausgestaltete spannungsabhängige Durchschalteinrichtung 27 besitzt eine Charakteristik, bei der der Durchschaltpunkt bei etwa 7»3 Volt liegt. Bei dieser Spannung schaltet also die Vierschichtdiode durch, so daß an ihr danach keine nennenswerte Spannung «ehr abfällt.

Es wird vorausgesetzt, daß die Last 13 zur Aufnahme von Wechselstrom geeignet ist und eine Wärmequelle steuert. Als erstes wird angenommen, daß während des Betriebs des Systems keine Wärme verlangt wird, da die Temperatur an dem temperatur- empfindlichen Widerstand 33 bei oder über dem Sollwert liegt. Es wird weiterhin angenommen, daß die Spannung zwischen den Anschlußklemmen 14 und 15 gerade ansteigt, so daß da sPotential an der Anschlußklemme 14 gegenüber dem Potential an der Anschlußklemme 15 zu wachsen beginnt.

Unter diesen Bedingungen wird ein Strom in der Leitung 20 zu fließen beginnen, wobei die Leitung 20 gegenüber der Leitung

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23 postitiv ist. Dieser Strom wird über die rechte obere Diode des Vollweggleichrichters 21 fließen und bewirkt ein ansteigendes Potential zwischen den Verbindungspunkten 24 und 25· Dabei fließt der Strom über den Widerstand 31 und die Diode 36, wodurch sich der Kondensator 37 auflädt. Hieraus resultiert eine Differenzspannung am Eingang des Differentialverstärkers 44. Das ansteigende Potential zwischen den Verbindungspunkten

24 und 25 schaltet den Transistor Q1 durch Zufuhr eines Basisstroms über den Widerstand 26 durch, so daß ein Strom über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors Q1 über den Widerstand 32, den temperatur-empfindlichen Widerstand 33 und den Sollwertpotentiometer 35 fließen wird. Gleichzeitig wird die Spannung am Verbindungspunkt 30 ansteigen,aber noch unterhalb der Durchschaltspannung der spannungsabhängigen Durchschalteinrichtung 27 bleiben. Der durch den Transistor Q1 fließende Strom fließt weiterhin teilweise über den Spannungsteiler aus den Widerständen 43 und 49, woraus ein Spannungspotential an dem Verbindungepunkt 42 resultiert« Der Differentialverstärker 44 vergleicht die Spannung swlr* ;hen den Verbindungspunkten 42 und 451 wodurch festgelegt wird, ob ein Ausgangssignal notwendig ist. Die Spannung zwischen den Verbindungspunkten 42 und 45 hängt ?on der Aufladung des Kondensators 37 ab. Es wurde eingangs angenommen, daß kein Ausgangssignal notwendig war,* wobei der mit den Transistoren Q2 und Q3 versehene Differentialverstärker in einem Zustand belassen wird, in dem er kein Ausgangssignal an den Widerstand 47 am Gatter des Thyristors 50 abgibt. Der Thyristor beginnt somit nicht zu leiten und die Spannung am Verbindungspunkt 30 wächst weiter an. Weiterhin bleibt der Kondensator 37 aufgeladen.Sobald das Potential am Verbindungspunkt 30 den Wert der DurchbruchsspannuDg der Vierschichtdiode 27 erreicht, schaltet diese plötztlich durch und der an ihr abfallende Spannungsabfall wird vernachlässigbar gering. Hierdurch, wird der Verbindungspunkt $0 im wesentlichen auf das Potential des Verbindungspunkts 25 gebracht wodurch der Transistor Q1 seinen leitenden Zustand beendet und den über&en

- 8 Widerstand 26 fließenden geringfügigen Strom abweist.

Bis zu diesem Zeitpunkt war Strom durch den einen relativ niedrigen Widerstandswert aufweisenden Widerstand 31 geflossen, aber dieser Widerstand bildet nicht mehr länger den hauptsächlichen Strompfadfwährend der Halbwelle der anliegenden Spannung» Der Widerstand 26 kommt nun hauptsächlich als Strompfad in frage und aein relativ hoher Widerstandswert begrenzt den durch diesen Stromkreis fließenden Strom auf einen sehr niedrigen Wert· Wenn die Last 13 zur Zufuhr von Wärme für das System aufgerufen wird, werden die Verluste dee Systems somit auf einem sehr niedrigen Wert gehalten. Das gilt auch für die zweite Halbwelle der anliegenden Spannung, da der Vollweggleichrichter die enliegende Spannung umkehrt, so daß auch während der zweiten Halbwelle an Verbindungspunkt 24 gegenüber dem Verbindungspunkt 25 eine ansteigende Spannung erscheint.

Xs wird nun angenommen,daß es erwünscht istjdie Last 13 zu erregen, was bedeutet, dad durch den mit einem negativen Temperaturkoeffizient en versehenen temperatur-empfindlichen Widerstand 33 (Thermistor) ein Wärmebedarf festgestellt wird. Hierdurch findet ein neuer Funktionsablauf statt.Wenn die Spannung as Verbindungepunkt 24 gegenüber dem Verbindungspunkt 25 ansteigt/' beginnt der Traneistor Q1 wieder zu leiten, wie weiter oben schon erläutert wurde· Der Kondensator 37 ist immer noch aufgeladen. Die Transistoren Q2 und Q5 des DifferentialVerstärkers 44 sorgen für einen Ausgangsetrom über die Diode 46 und den Widerstand 47, der einen ausreichenden Steuerstrom für das Gatter des Thyristors 50 bildet. Hierdurch wird fast unverzüglich der Kondensator 37 über den Thyristor 50 entladen, was zu einer Differenzwertbildung für das System führt.

Wegen der Wirkungsweise des Vollweggleichrichters 21 ist die dem Thyristor 50 zugeführte Spannung ebenso wie die dem Dif- · ferentialverstärker 44 zugeführte Spannung jeweils von gleicher

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Polarität und der leitende Thyristor bewirkt somit einen Spannungsäbfall über dem Widerstand 5*U welcher wiederum den Transistor Q6 in leitenden Zustand bringt. Der über den Transistor Q6 fließende Strom bedingt einen Stromfluß über den Widerstand 54 und die Diode 55, welcher ein positives Potential zwischen der Basis 56 un dem Emitter 58· bedingt, so daß auch der Transistor Q7 in den leitfähigen Zustand gebracht wird. Die Durchschaltung des Transistors Q7 schafft einen Strompfad über den Widerstand 63, den Widerstand 62, den Kollektor 61, den Emittor 58 zur Diode 55·Der sich hierdurch ergebende Stromfluß bedingt einen Spannungsabfall über den Widerstand 63, welcher den aus einem Triac gebildeten Festkörperleistungsschalter 64 in einen leitenden Zustand bringt. Die Durchschaltung des Triac 64 schließt die beiden Anschlußklemmen 14 und 15 im wesentlichen miteinander kurz, so daß das volle Potential zwischen den Versorgungsleitungen 11 und 12 an die Last 13 gelegt wird und diese voll erregt.

Bei der Umkehr des Spannungspotentials zwischen den Anschlußklemmen 14 und 15 tritt eine gegenüber den oben beschriebenen neue Erscheinung auf. Die Spannung an den Anschlußpunkten des Festkorperleistungsschaltere 64 wurde zwar umgekehrt)aber der zur Durchschaltung des Transistors Q7 dienende Ausgangsstrom des Transistors Q6 ist infolge der Wirkung dee Vollweggleich richters 21 der gleiche geblieben. Unter diesen Umständen ißt unter der Voraussetzung, daß immer noch ein Bedarf der Betätigung der Last 13 besteht_}weiterhin ein Stromfluß vom Emitter zum Kollektor des Transistros Q6 vorhanden, wobei aber nun die zwischen den Leitungen 20 und 23 erscheinende Spannung in ihrer Polarität umgekehrt ist. Der Transistor Q7 wirkt nunmehr nicht länger als gewöhnlicher Transistor sondern hat die Aufgabe einer Steuerdiode, über welche ein Strom vom Emitter des Transistors Q6 zum Verbindungspunkt 57 und dann zur Basis 56 des Transistors Q7 und danach aus dem Kollektor dieses Transistors fließt. Der genannte Strom fließt somit über den Widerstand 62

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und den Widerstand 63 zu dem negativen Potential auf der Leitung 20.Durch diesen Stromfluß wird der Triac 64 wiederum in seinen leitfähigen Zustand gestexiert, wodurch er die Anschlußklemmen 14 und 15 miteinander kurzschließt.

Der Transistor Q7 arbeitet somit bei der umgekehrten Spannung während der zweiten Halbwelle mehr als Steuerdiode als als gebräuchlicher Transistor und führt somit eine neuartige Punktion durch. Ist die Polarität auf der Leitung 20 gegenüber der Leitung 23 positiv, so arbeitet der Transistor in gebräuchlicher Y/eise.Wird aber das Potential an den Leitungen 20,23 umgekehrt, so arbeitet der Transistor Q7 rein als Steuerdiode, in dem er einen Stromfluß von der Basis 56 zum Kollektor 61 erlaubt und damit das notwendige Ausgangssteuersignal zur Ansteuerung des als Triac ausgestalteten Festkörperleistungsschalters 64 schafft. Die Eingangskreise bleiben unverändert. Der Kondensator 37 dient zur Schaffung einer Differenzspannung während beider Halbwellen der angelegten Wechselspannung. In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird ein neuartiges durch eine durch die Entladung eines Kondensators geschaffene Differenzspannung angesteuertes System gezeigt, wo ein Festkörperleistungsschalter in geeigneter Weise derart angesteuert werden kann, daß er einerseits eine Last ansteuert oder andrerseits eine Last unerregt läßt,wenn dies durch einen temperatur esipfindlichen Widerstand angezeigt wird.

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Claims

-H 31d P 34?-

Patentansprüche

J Zustandsteuersystem mit einem zur Erzeugung einer Spannungs-' differenz innerhalb eines Eingangskreises dieses Systems dienenden Speicher, dadurch gekennzeichnet» daß ein mit einer Kapazität (37) und einem Zuetandsfühler (33) versehenes Spannungsteilernetzwerk (24-37) vorgeaehen 1st,

daß eine eine Spannung gleichbleibender Polarität abgebende Spannungsquelle (20-23) *ur Zufuhr einer Spannung und zur Aufladung der Kapazität mit den Spannungsteilernetzwerk (24-37) verbunden ißt, wobei in dem Spannungsteilernetzwerk (24-37) eine Bifferenzcpannung erzeugt wird, daß ein mit Eiagamgekreisen (40,45) versehener Verstärker (44) an das Spannungeteilemetζwerk (24-3?) angeschlossen ist, wobei ein Ausgangskreis (46-48) des Verstärkers (44) mit einer Festkörperechalteinrichtung (50-68) verbunden ist, welche zur von dem Zustand des Zustandsfühlers (33) abhängigen Stromleitung betätigt wird, und

daß ein Entladekrei» (38,39,59) die Kapazität (37) mit der Festkörperschalteinrichtung (50-68) verbindet, so daß die Festkörperschalteinrichtung (50-68) die Kapazität entlädt, wenn die Festkörperscharteinrichtung (50-68) leitend ist und dabei de Differenzspanming des Spannungsteilernetzwerks beseitigt um das Zustandssteuersyrjtem in einen stabilen Betriebszustand zu bringen.

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2. Zustandsteuersystem nach Anspruch 1, dadurchgekenzeichnet , daß das Spahnungsteilernetzwerk (24-37) eine Brückenschaltung ist, und

daß der Verstärker ein Differenzverstärker (44) ist, dessen Eingangskreise (40,45) mit der Brückenschaltung (24-37) verbunden sind.
3. Zustandsteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungequelle (20-23) mit einer Gleichrichterschaltung (22) versehen ist, welche zur Darstellung einer sich periodisch ändernden Spannung gleichbleibender Polarität mit einer Wechselspannungsquelle (10) verbunden ist.
4. ZustandeSteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d adurch gekennzeichnet, daß der Zustandsfühler ein temperaturempfindlicher Widerstand (33) ist.
5. Zustandeeteuersyetem nach einem der Ansprüche Λ bis 4, d a durchgekennzei chne t, daß die Pestkörperschalteinrichtung (50-68) mit einem Thyristor (50) versehen iat, welcher zur Vermeidung einer ungewollten ihtladung der Kapazität (37) mit einer Diode (69) in Heine geschaltet ist.
6. Zustandssteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5» d a durch gekennzeichnet,, daß die Kapazität (37) ein einziger Kondensator ist, und daß der Entladekreie (38,3959) mit einem strombegrenzenden Widerstand (39) versehen ist.

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