DE2500154B2 - Verfahren und vorrichtung zur digitalen anzeige von elektrischen messund/oder pruefwerten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektrische Schaltung zur digitalen Anzeige von elektrischen Meß- und/oder Prüfwerten, unter Verwendung von Tiefpaßcharakteristiken.

In den verschiedensten Anwendungsbereichen der Technik hat es sich häufig als vorteilhaft erwiesen, Meß- und/oder Prüfwerte digital anzuzeigen. In neuerer Zeit ist man auch bei der Anzeige von Meß- und/oder Prüfwerten an Prüfständen für Reifen, Motoren, Fahrzeuge und dergl. dazu übergegangen diese digital anzuzeigen. Es treten hierbei jedoch bei den bisher im Handel erhältlichen Einrichtungen nach Schwierigkeiten auf, die im nachfolgenden gezeigt werden sollen.
Die Meß- bzw. Prüfwerte, die bei den derzeit im Handel befindlichen Anlagen gewonnen werden, sind im allgemeinen von periodischen oder stochastischen kleiner. Schwankungen überlagert. Bei Verwendung von Zeigerinstrumenten werden solche Schwankungen durch die Massenträgheit des Meßwerkes weitgehend ausgemittelt, wenn sie oberhalb der Grenzfrequenz des Meßwerkes liegen. Ferner wird der Eindruck für den Betrachter dadurch verbessert, daß Zeigerinstrumente nur ein begrenztes Auflösungsvermögen haben, das durch die Formgebung der Zeiger und die Strichbreite der Skalenteilung vorbestimmt ist. Geringe Schwankungen der Meßwerte werden somit durch Eigenschaften der Meßwerke auf ein Maß reduziert, das dem Betrachter eine quasi »ruhige« Anzeige vermittelt.
Beim Einsatz von digitalen Anzeigegeräten wird im allgemeinen gefordert, daß die Auflösung zumindest gleich, in den meisten Fällen jedoch besser als bei Zeigerinstrumenten sein soll. Eine dreistellige Anzeige von 000 bis 999 läßt sich in aller Regel nicht umgehen. Demzufolge beeinflussen Meßwertschwankungen von nur l%o bereits die letzte Stelle und Meßwertschwankungen von 1% bereits die beiden letzten Stellen. Vom Betrachter der Anzeigeeinrichtung wird dies unangenehm empfunden, da ihm ein »analoges«, d. h. optisches Ausmitteln von digitalen Zahlenschritten, schwer fällt.

In manchen Fällen wird dies sogar unmöglich sein, da hierzu Rechenoperationen durchgeführt werden müßten. Diesen Schwankungen der Meßwerte ist außerdem die interne Meßzyklusrate des digitalen Anzeigeinstrumentes, beispielsweise eines Digitalvoltmeters, überlagert, d. h. das digitale Anzeigeinstrument mißt' zu Zeitpunkten, die von dem Verlauf der Schwankungen unabhängig sind. Es entsteht hierdurch in der Anzeige eine Schwebung, die as dem Betrachter unmöglich

t noch eine Ausmittelung vorzunehmen. Ferner der subjektive Eindruck des Betrachters noch lter verschlechtert

Um eine ruhige »flimmerfreie« Digitalanzeige zu len, ist es notwendig die Schwankungen der Ie elektronisch auszumitteln. Hierfür sind im

ndej bereits Schaltungen erhältlich, die durch iharakteristiken eine Glättung der höher juenten Anteile erreichen. Wenn man jedoch

ihwankungen auch mit niedriger Frequenz ausfiltern -iH muß man die Grenzfrequenz des Tiefpasses weiter heruntersetzen, was sich bezüglich der Einschwingzeiten bzw. Einstellzeiten störend auswirkt. Mit abnehmender Grenzfrequenz nimmt nämlich die Einstellzeit des Tiefpasses zu. ,₅

Die Einschwing- bzw. Einstellzeiten haben zur Folge, daß nach Aufschaltung eines Meß- und/oder Prüfwertes *iuf das digitale Anzeigeinstrument, insbesondere bigitaivoltmeter oder auch bei Schwankungen des Meß- und/oder Prüfwertes bei Änderung der Prüfbedinjungen, eine relativ lange Zeit vergeht, bis die digitale Anzeige auf den neuen Wert eingelaufen ist Das Digitalvoltmeter verhält sich dann so wie ein übermäßig stark bedampftes Zeigermeßwerk, d. h. die Einstellzeit wird als unzumutbar lang empfunden. Man hat zwar dann den Nachteil der periodischen Schwankungen der Anzeige weitgehend vermieden, jedoch den Nachteil einer langen Einstellzeit eingetauscht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine elektrische Schaltung zur digitalen Anzeige von Meß- und/oder Prüfwerten zu zeigen, bei dem einerseits eine quasi konstante digitale Anzeige gewährleistet wird und ande-erseits eine kurze E<nschwingzeit bei einer Meß- und/oder Prüfwertänderung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Meß- und/oder Prüfwerten entsprechenden elektrischen Signale gleichzeitig über zwei Kanäle, von denen der eine eine höhere Einstellzeit als der andere aufweist, geleitet und miteinander verglichen werden, und daß bei einem auftretenden Differenzsignal infolge einer Schwankung des Meß- und/oder Prüfwertes das am Ausgang des Kanals mit höherer Einstellzeit erscheinende und für die Anzeige verwendete Signal, in Abhängigkeit von dem Differenzsignal beschleunigt auf den neuen Meß- und/oder Prüfwert eingestellt wird.

Vorteilhaft ist es noch, wenn zusätzlich bei starken Schwankungen oder bei Sprüngen der Meß- und/oder Prüfwerte die Meßrate der Anzeigeeinrichtung in Abhängigkeit vom Differenzsignal, das aus den beiden Ausgängen der Kanäle mit unterschiedlicher Einstellzeit gewonnen wird, erhöht wird.

Eine elektrische Schaltung für die digitale Anzeige von Meß- und/oder Prüfwerten mit einer digitalen Anzeigeeinrichtung, und vorgeschaltetem Tiefpaß, zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens ist zur Lösung der vorstehenden Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingang für die Meß- und/oder Prüfwerte zwei parallel geschaltete Tiefpässe mit unterschiedlicher Einstellzeit angeschlossen sind und die Ausgänge der Tiefpässe an einer Vergleicherschaltung liegen, deren Ausgang über eine Schwellwertstufe mit dem Ausgang des Tiefpasses mit der höheren Einstellzeigt, an welchem der Eingang der digitalen Anzeigeeinrichtung liegt, verbunden ist.

Die Schwellwertstufe kann hierbei so eingestellt sein, daß bei geringen Schwankungen das den Meß- und/oder Prüfwerten entsprechende elektrische Signal nur über den Tiefpaß mit der höheren Einstellzeit an die digitale Anzeigeeinrichtung gelegt wird.

Hierzu kann der Ausgang der Vergleichsschaltung mit einem Kondensator am Ausgang des Tiefpaßfilters mit der höheren Einstellzeit veibunden sein, der seine Ladung über einen Impedanzwandler an die digitale Anzeigeeinrichtung abgibt

Die Vergleichseinrichtung kann als Differenzverstärker ausgebildet sein, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters mit der niedrigeren Einstellzeit dessen zweiter Eingang Ober den Impedanzwandler mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters mit der höheren Einstellzeit verbunden ist und dessen Ausgang über Zenerdioden an den Kondensator am Eingang des Impedanzwandlers gelegt ist

Zur Erhöhung der Zählrate der digitalen Anzeigeeinrichtung bei insbesondere starken Schwankungen oder Sprüngen der elektrischen Meß- und/oder Prüfwerte kann eine elektrische Schaltung vorgesehen sein, über welche der Ausgang der Vergleicherschaltung die digitale Anzeigeeinrichtung, insbesondere über eine Schwellwertstufe, ansteuert.

Diese Ansteuerungsschaltung für die digitale Anzeigeeinrichtung kann einen spannungsgesteuerten Oszillator aufweisen, dessen Ausgangssignal das Taktsignal für die digitale Anzeigeeinrichtung bildet. Die Schwellwertstufe in dieser Ansteuerungsschaltung kann aus zwei parallel geschalteten Zenerdioden gebildet werden, von denen eine über einen Inverter mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt, der am Eingang des Oszillators liegt, verbunden ist.

Mit Hilfe der Erfindung erreicht man somit, daß zunächst beim Eintreten einer Signaländerung, infolge einer starken Meß- und/oder Prüfwertschwankung oder eines Sprunges dieses Wertes, eine kurze Einstellzeit erreicht wird und nachdem der Signalwert auf den neuen Wert gezogen ist die Einstellzeit entsprechend höher wird, so daß man eine Ausmittelung erhält, welche eine ruhige Anzeige hervorruft. Das heißt, bei einer starken Meß- bzw. Prüfwertänderung wird der Tiefpaß niedriger Ordnung bzw. hoher Grenzfrequenz wirksam und zieht den Signalwert der für die Anzeige verwendet wird, rasch auf den neuen Wert und sobald dieser neue Wert erreicht ist, wird der Tiefpaß mit hoher Ordnung bzw. niedriger Grenzfrequenz wirksam, über den dann allein die den Meß- bzw. Prüfwerten entsprechenden Signale an die digitale Anzeigeeinrichtung weitergeleitet werden.

Durch die zusätzliche Ansteuerschaltung kann gleichzeitig die Meßrate (Anzeigerate je Zeiteinheit) des Digitalvoltmeters bzw. der Anzeigeeinrichtung derart gesteuert werden, daß bei annähernd konstantem Mittelwert des Meßwertes eine relativ lange Zeitspanne zwischen zwei Messungen liegt und bei einem Signalsprung die Meßrate der digitalen Anzeigeeinrichtung erheblich gesteigert wird, so daß sich zum einen die Anzeige rasch auf den neuen Wert einstellt und außerdem der Beobachter durch die gesteigerte Anzeigefolge auf der Anzeigeeinrichtung sofort erkennen kann, daß ein Meßwertsprung vorliegt. Wenn die Anzeige auf den neuen Wert angeglichen ist, geht die Meßrate bzw. Anzeigerate wieder auf längere Abstände über.

Dem Betrachter der Anzeigeeinrichtung wird somit wie bei einem Zeigerinstrument entsprechend der Zeigerbeschleunigung bei Meßwertsprüngen, eine Meßraten- bzw. Anzeigenratenbeschleunigung gezeigt Für den Beobachter ist dies ein erheblich verbessertes

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Hilfsmittel gegenüber der konstanten Anzeige- bzw. Meßrate, welche lediglich die unterschiedlichen Differenzen zwischen den Anzeigewerten aufeinanderfolgender Messungen zeigt. Die Erfindung gewährleistet somit die bei den bekannten digitalen Anzeigegeräten auftretenden Unzulänglichkeiten, welche eingangs geschildert wurden, zu vermeiden und vermittelt dem Betrachter eine verbesserte Meßanzeige.

In der Figur ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und es soll anhand dieser Figur die Erfindung noch näher erläutert werden.

In dieser Figur ist ein Eingang £ gezeigt, an welchem die digital anzuzeigende Meß- und/oder Prüfgröße in Form eines elektrischen Signals erscheint. Ferner enthält die gezeigte Schaltung einen Verstärker 1, der zur Anpassung des Eingangspegels auf den Eingangsspannungsbereich der digitalen Anzeigeeinrichtung, welche in der Figur als Digitalvoltmeter 2 ausgebildet ist, dient An den Verstärker 1 schließen sich zwei parallel geschaltete Tiefpässe an, von denen der eine als passiver Tiefpaß mindestens zweiter Ordnung ausgebildet ist und im dargestellten Beispiel aus Widerständen 5 und 6 und Kondensatoren 7 und 8 besteht. Am Ausgang dieses Tiefpasses liegt ein Impedanzwandler 9, dessen Ausgang dem Digitalvoltmeter 2 zugeführt ist.

Der andere Tiefpaß ist von mindestens erster Ordnung und besteht im dargestellten Beispiel aus einem Widerstand 10 und einem Kondensator U. Der aus dem Widerstand 10 und dem Kondensator It bestehende Tiefpaß ist um eine oder mehrere Ordnungszahlen niedriger als der aus den Widerständen 5, 6 und den Kondensatoren 7, 8 bestehende Tiefpaß. Der Ausgang des Tiefpasses 10, 11 liegt am Plus-Eingang eines Verstärkers 12, der als Differenzverstärker geschaltet ist. Am Minus-Eingang des Verstärkers 12 liegt der Ausgang des Impedanzwandlers 9 über einen Widerstand 13. Der Widerstand 13 und ein Widerstand 14 sowie die Widerstände 10, 15 und 16 sind so bemessen, daß bei Spannungsgleichheit zwischen den Ausgängen des Verstärkers 1 und des Impedanzwandlers 9 am Ausgang des Verstärkers 12 keine Ausgangsspannung ansteht.

Schließlich ist der Ausgang des Verstärkers 12 noch über eine Zenerdiodenkette 3,4 und einen Widerstand 17 mit dem Kondensator 8 am Ausgang des Tiefpasses mit der niedrigeren Grenzfrequenz bzw. höheren Einstellzeit verbunden.

Um beim Digitalvoltmeter 2 auch die Zahl der Messungen bzw. die Zahl der Anzeigen pro Sekunde zu beeinflussen, ist noch die folgende Schaltung vorgesehen. Diese Schaltung liegt am Ausgang des Verstärkers 12 und weist an ihrem Eingang zwei parallel geschaltete Zenerdioden 21 und 22 auf. Den Zenerdioden ist jeweils ein Transistor 18 bzw. 19 nachgeschaltet, wobei an dem Transistor 19 ein invertierender Folgetransistoi 20 sich anschließt Die Kollektoren der Transistoren 18 und 20 liegen an einem gemeinsamen Verbindungspunkt, der am Eingang eines sprnnungsgesteuerten Oszillators 26 Hegt

Dieser spannungsgesteuerte Oszillator 26 weist Transistoren 23 und 24 auf sowie einen Widerstand 27 und einen Kondensator 25. Am Ausgang Ad des spannungsgesteuerten Oszillators 26 erscheint ein Taktsignal, das das Digitalvoltmeter 2 ansteuert Der Transistor 24 ist hierzu als Unijunction-Transistor ausgebildet

Die Wirkungsweise der dargestellten Schaltung ist die folgende:

Wenn am Eingang £ eine digital anzuzeigende Meßbzw. Prüfgröße in Form eines elektrischen Signals erscheint, wird der Eingangspegel auf den Eingangsspannungsbereich des Digitalvoltmeters 2 angepaßt,

d. h. die Amplitude de; Signals wird auf einen Wert reduziert, der dem Vollausschlag entspricht bzw. die Amplitude wird unterhalb der Zenerspannung der Zenerdioden 3 und 4 abgesenkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 1, das geglättet werden soll, durchläuft den

ίο aus den Widerständen 5,6 und den Kondensatoren 7,8 bestehenden passiven Tiefpaß und wird am Ausgang des Impedanzwandlers 9 geglättet abgenommen und dem Digitalvoltmeter 2 zugeführt.

Gleichzeitig durchläuft das zu glättende Signal auch den aus dem Widerstand 10 und dem Kondensator U bestehenden Tiefpaß, der um eine oder mehrere Ordnungszahlen niedriger ist als der Tiefpaß 5-8, und wird an den Plus-Eingang des Verstärkers 12 gelegt.

Tritt nun am Eingang £ein Signalsprung auf, so ist es wie eingangs schon erwähnt, erwünscht daß eine möglichst kurze Zeit vergeht, bis sich am Ausgang des Impedanzwandlers 9 wieder ein stabilder Zustand einstellt, d. h. bis der Ausgang des Impedanzwandlers 9 auf den neuen Signalwert eingestellt wird.

Da der aus dem Widerstand 10 und dem Kondensator

11 bestehende Tiefpaß nur eine geringe Ordnungszahl bzw. eine höhere Grenzfrequenz als der andere Tiefpaß 5-8 aufweist, schwingt er schneller auf den neuen Wert ein. Während dieser kürzeren Einschwingzeit steht an den Eingängen des Verstärkers 12 eine Spannungsdifferenz an, welche am Ausgang des Verstärkers 12 verstärkt erscheint. Ist die Zenerspannung der Zenerdiodenkette 3 und 4 übersprungen, so wird diese leitend und es fließt über den Widerstand 17 ein Strom bzw. eine Ladung in den Kondensator 8, der hierdurch beschleunigt aufgeladen und auch entladen wird. Der Ausgang des Impedanzwandlers 9 wird somit beschleunigt auf den neuen Wert eingestellt. Gleichzeitig nimmt die Differenzspannung an den Eingängen des Verstär-

kers 12 ab. Bei zunehmender Angleichung des Ausganges des Impedanzwandlers 9 an den endgültigen Wert des Signals nach dem Spannungssprung, nimmt somit die Ausgangsspannung des Verstärkers 12 ab. bis die Zenerdioden 3 und 4 schließlich wieder sperren. Das

am Eingang £ erscheinende Signal wird dann durch den Tiefpaß 5 bis 8 geglättet und an das Digitalvoltmeter 2 abgegeben.

Die Angleichgeschwindigkeit wird hauptsächlich durch die geringe Zeitkonstante des unteren Tiefpasses

10, 11 bestimmt während die Glättungswirkung durch die niedrige Grenzfrequenz des oberen Tiefpasses 5-8 bestimmt ist

Wenn das Differenzsignal am Ausgang des Verstärkers 12 bei Auftreten eines Signalsprunges groß ist, wird

je nach Polarität der Ausgangsspannung am Verstärker

12 eine der Zenerdioden 21 oder 22 leitend. Hierdurch wird einer der Transistoren 18 oder 19 durchgeschaltet. Infolge des invertierenden Folgetransistors 20 ist jederzeit gewährleistet, daß der Verbindungspunkt der

Kollektoren der Transistoren 18 und 20 immer niederohmig nach Masse ist, wenn die Zenerspannung der Zenerdioden 21 oder 22 überschritten wird Die Transistoren 23 und 24 bilden den spannungsgesteuerten Oszillator 26, dessen Frequenz durch den Transistor

23 verändert werden kann, indem die Transistoren 18 oder 20 mehr oder weniger nach Masse leitend sind Bei gesperrten Transistoren 18 und 20 schwingt der Oszillator 26 mit einer festen niedrigen Frequenz, die

durch den Widerstand 27 und den Kondensator 25 bestimmt wird. Bei einem Signalsprung am Eingang £", d. h. bei Erscheinen eines Differenzsignals am Ausgang des Verstärkers 12, wird bei Überschreiten der Zenerspannung einer der Zenerdioden 21 oder 22, der Transistor 18 oder der Transistor 20 leitend, wodurch auch der Transistor 23 leitend wird. Dies bewirkt einen erhöhten Strom im Kondensator 25, wodurch die Frequenz des Oszillators 26 steigt Der Unijunction-Transistor 24 ist an den Steuereingang für die

Anzeigerate bzw. Meßrate des Digitalvoltmeters 2 gelegt Dieses löst auf jeden Ausgangsimpuls des Oszillators 26 einen Meßvorgang aus. Die Meßrate des Digitalvoltmeters 2 wird somit immer dann erhöht, wenn am Verstärker 12 eine große Differenz ansteht, d. h. wenn ein Signalsprung erfolgt oder gerade erfolgt ist Auf diese Weise kann die Meßrate bzw. Anzeigerate des Anzeigegerätes 2 abhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des auftretenden Signalsprunges am Eingang £ geregelt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Anzeige von elektrischen Meß- und/oder Prüfwerten unter Verwendung von Tiefpaßcharakteristiken, dadurch gekennzeichnet, daß die den Meß- und/oder

. Prüfwerten entsprechenden elektrischen Signale gleichzeitig über zwei Kanäle, von denen der eine eine höhere Einstellzeit als der andere aufweist, geleitet und miteinander verglichen werden und daß bei einem Differenzsignal infolge einer Schwankung der Meß- und/öder Prüfwerte das am Ausgang des Kanals mit höherer Einstellzeit erscheinende und für die Anzeige verwendete Signal in Abhängigkeit von dem Differenzsignal beschleunigt auf den neuen Meß- und/oder Prüfwert eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schwankung oder einem Sprung der Meß- und/oder Prüfwerte die Meßrate bzw. Anzeigenrate der digitalen Anzeige in Abhängigkeit vom Differenzsignal erhöht wird.

3. Elektrische Schaltung für die digitale Anzeige von Meß- und/oder Prüfwerten mit einer digitalen Anzeigeeinrichtung und vorgeschaltetem Tiefpaß zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingang (E) für die Meß- und/oder Prüfwerte zwei parallel geschaltete Tiefpässe (5, 6, 7, 8 und 10, 11) mit unterschiedlicher Einstellzeit angeschlossen sind und die Ausgänge der Tiefpässe an einer Vergleichsschaltung (12, 13, 14, 15, 16) liegen, deren Ausgang über eine Schwellwertstufe (3,4) mit dem Ausgang des Tiefpasses mit der höheren Einstellzeit, an welchem der Eingang der digitalen Anzeigeeinrichtung (2) liegt, verbunden ist.

4. Elektrische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwet tsuife (3, 4) so eingestellt ist. daß bei geringen Schwankungen das den Meß- und/oder Prüfwerten entsprechende Signal zur Glättung über den Tiefpaß (5,6, 7,8) mit der höheren Einstellzeit an die digitale Anzeigeeinrichtung (2) gelegt ist.

5. Elektrische Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Vergleicherschaltung (12,13,14) mit einem Kondensator (8) am Ausgang des Tiefpaßfilters mit der höheren Einstellzeit verbunden ist, der seine Ladung über einen Impedanzwandler (9) an die digitale Anzeigeeinrichtung (2) abgibt.

6. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung einen Differenzverstärker (12) aufweist, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters (10, 11) mit der niedrigeren Einstellzeit, dessen zweiter Eingang über den Impedanzwandler (9) mit dem Ausgang des anderen Tiefpaßfilters (5, 6, 7, 8) mit höheren Einstellzeiten verbunden sind und dessen Ausgang über Zenerdioden (3, 4) an den Kondensator (8) am Eingang des Impedanzwandlers (9) gelegt ist.

7. Elektrische Schaltung zur Erhöhung der Zählrate der digitalen Anzeigeeinrichtung bei Schwankungen oder Sprüngen der elektrischen Meß- und/oder Prüfwerte, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Vergleicherschaltung (12, 13, 14) über eine Schwell wertstufe (21, 22) die

digitale Anzeigeeinrichtung (2) ansteuert

8. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der digitalen Anzeigeeinrichtung (2) ein spannungsgesteuerter Oszillator (26) vorgesehen ist. dessen Ausgangssignal das Taktsignal für die digitale Anzeigeeinrichtung büdet

9. Elektrische Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertstufe als parallel geschaltete Zenerdioden (21, 22) ausgebildet ist, von denen eine über einen Inverter (20) mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt, der am Eingang des Oszillators (26) liegt, verbunden ist.

10. Elektrische Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Zenerdioden (21, 22) jeweils Transistoren (18,19) nachgeschaltet sind.