DE2545193A1 - Regeleinrichtung - Google Patents

Description

10-05319 Ge 7. Oktober 1975

HONEYWELL INC.
Honeywell Plaza
Minneapolis, Minn., USA

Regeleinr ichtung

Die Erfindung betrifft eine zustandsabhängige Regeleinrichtung mit einem an eine Zustands-ttberwachungseinrichtung angeschlossenen Steuerverstärker und einer zwecks Änderung des Zustandes gesteuerten Last.

Im Hinblick auf die Art der zu steuernden Vorrichtung machen viele Zustandsüberwachungs- und Regelsysteme von einer Zweipunktregelung Gebrauch. Solche Regelsysteme werden insbesondere bei Kühlaggregaten benutzt. Hierbei ist der Kompressor des Kühlaggregates entweder ein- oder ausgeschaltet, so daß von einer kontinuierlichen Modulation des Kühleffektes des Kühlaggregates kein Gebrauch gemacht wird. Das gleiche trifft für den Anwendungsfall zu, wo Wärme über spulengesteuerte Ventile einer Einrichtung zugeführt wird und die Vorrichtung lediglich zwischen einem Heiz- und Kühlzustand hin und her schaltet. Entsprechend der Art der zu regelnden Einrichtung hat sich die Ein/Aus-Schaltfunktion bisher als ausreichend erwiesen.

Neuerdings hat es sich als praktisch herausgestellt, einen Modulationstyp eines spulengesteuerten Ventils zur Regelung des Zustandes einer Last zu verwenden, wobei dieser Modulationstyp eines Ventils einen modulierten Strom für die Ventilspule erfordert. Zur Betätigung des modulierenden spulengesteuerten

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Ventils wird ein minimaler Strompegel für die Öffnung des Ventils benötigt und für den Fall, daß das Ventil ganz geöffnet ist, ist es nicht mehr erforderlich, den Strom weiter zu steigern, da hierdurch nichts bewirkt wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regeleinrichtung so auszubilden, daß der die Betätigungsspule des modulierenden Ventils durchfließende Strom den vorstehend erwähnten Anforderungen genügt. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Zusammenarbeit einer herkömmlichen Zustandsüberwachungseinrichtung sowie eines herkömmlichen Steuerverstärkers mit einem neuen Schaltkreis, der einen minimalen Strompegel für das spulenbetätigte modulierende Ventil einerseits erzeugt und andererseits einen linear ansteigenden Strom bis zu einem Maximalstrom erzeugt, sofern die überwachungseinrichtung eine weitere öffnung des Ventils erfordert. Die vorliegende Erfindung beinhaltet ferner einen Übersteuerungsschaltkreis, der die Last, beispielsweise das erwähnte Ventil, in einen Extremzustand aussteuert für den Fall, daß die überwachungseinrichtung, normalerweise ein Thermistor, eine Fehlfunktion aufweist. Der maximale von der Last gezogene Strom wird durch eine Spannungs-Begrenzungsschaltung am Eingang des die Last steuernden Ausgangsschaltkreises begrenzt.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Zustands-überwachungseinrichtung und eines Steuerverstärkers sowie den detaillierten Schaltkreis gemäß der Erfindung; Figur 2 eine graphische Darstellung des von dem Ausgangsschaltkreis erzeugten Stromverlaufes und

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Figur 3 die Darstellung einer gegenüber Figur 1 veränderten Last.

Gemäß Figur 1 ist ein vollständiges System dargestellt, welches eine Zustands-überwachungseinrichtung 10, eine zustandsabhängige Regeleinrichtung 11 und eine den Zustand verändernde Last 12 umfaßt. Obwohl diese Regeleinrichtung der Regelung irgendeines veränderlichen Zustandes dienen kann, sei die vorliegende Erfindung als ein Temperaturregelsystem beschrieben, bei welchem die den Zustand verändernde Last 12 in der Lage ist, die Temperatur zu ändern, beispielsweise durch Steuerung eines spulenbetätigten modulierenden Ventils 13 in einem Heizoder Kühlsystem. Das spulenbetätigte modulierende Ventil 13 ist im Handel erhältlich und weist eine Spule 14 auf, die in Abhängigkeit von ihrem Stromdurchgang ein Ventil 15 in einer modulierenden Weise betätigt. Gewöhnlicherweise weisen spulenbetätigte Ventile 2 Betätigungsstellungen auf·aber neuerdings ist im Handel ein spulenbetätigtes Ventil für Heiz- und Kühlvorrichtungen erhältlich, welches in der Lage ist, in Abhängigkeit von einem veränderlichen Strompegel durch die Spule 14 in einer modulierten Weise zu arbeiten.

Die Zustands-Überwachungseinrichtung 10 kann in Form irgendeines herkömmlichen Types gegeben sein;aber im vorliegenden Anwendungsfall, wo die Temperatur zu überwachen ist, besteht die Einrichtung 10 aus einem veränderlichen Widerstand, der seinen Wert in Abhängigkeit von dem überwachten Zustand verändert und vorzugsweise als einfacher Thermistor ausgeführt ist. Ein Paar von Leitungen 16 und 17 dienen dem Anschluß der Zustands-Überwachungseinrichtung 10 mit der zustandsabhängigen Regeleinrichtung Zu diesem Zweck werden die Leitungen 16 und 17 an Anschlußklemmen 20 und 21 eines Steuerverstärkers 22 geführt, der in seiner einfachsten Form als Differential-Brtickenverstärker ausgeführt ist und zwei Ausgangsklemmen aufweist. Die erste Ausgangsklemme 23 führt einen Strompegel, der sich mit der Änderung des überwachten Zustandes verändert, während die zweite Ausgangsklemme 24 ein Steuersignal vom Schalttyp abgibt, welches

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als Übersteuerungssignal benutzt wird für den Fall, daß die überwachungseinrichtung 10 eine Fehlfunktion aufweist und der Steuerverstärker 22 seinen normalen Steuerbereich überschreitet. Dieser Gerätetyp ist handelsüblich für Regeleinrichtungen erhältlich, wie sie beispielsweise in Kühl- und Heizvorrichtungen bei Lastwagen und Eisenbahnen verwendet werden, wo es darum geht, die Temperatur verderblicher Güter zu regeln.

Der Steuerverstärker 22 wird über Leitungen 25 und 26 an die Klemmen 27 und 28 einer herkömmlichen Spannungsversorgungsquelle angeschlossen. Die Klemmen 27 und 28 bilden ebenfalls den Anschluß der Spannungsversorgung für die Regeleinrichtung 11. Die Regeleinrichtung 11 weist ferner ein Paar von Ausgangsklemmen 30 und 31 auf, die über Leitungen 32 und 33 mit der den Zustand verändernden Last 12 verbunden sind. Eine Freilaufdiode 29 ist zwischen die Ausgangsklemmen 30 und 31 geschaltet.

Die Klemmen 30 und 31 bilden die Ausgangsklemmen eines stromsteuernden Ausgangsschaltkreises 34, der seinerseits einen spannungsempfindlichen Eingang 35 aufweist. Der Ausgangsschaltkreis 34 weist einen Widerstand 36 auf, der die positive Betriebsspannung an die Ausgangsklemme 30 und den Emitter eines Transistors 37 legt. Der Eingang 35 des Ausgangsschaltkreises 34 wird durch die Basis des Transistors 37 gebildet. Ein Kondensator 38 dient der Unterdrückung von Schwingungen und ist zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors 37 geschaltet. Der Kollektor des Transistors 37 ist ferner über die Serienschaltung zweier Widerstände 40 und 41 an die die negative Betriebsspannung führende Leitung 26 geschaltet und der gemeinsame Anschlußpunkt der beiden Widerstände 40 und 41 dient dem Anschluß zweier Transistoren 42 und 43. Der Transistor 43 liegt mit seiner Emitter-Kollektorstrecke zwischen der Ausgangsklemme 31 und der Leitung 26. Die Basis des Transistros ist mit dem Kollektor des Transistors 42 verbunden, wobei dessen

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Emitter an der Leitung 26 liegt und dessen Basis an den durch die Widerstände 40 und 41 gebildeten Spannungsteiler angeschlossen ist. Wenn die am Eingang 35 des Transistors 37 anliegende Spannung reduziert wird, so vergrößert sich der von dem Transistor 37 gezogene Strom, wodurch eine größere Spannung über dem Widerstand 41 abfällt und der Transistor 42 und sein nachgeschalteter Transistor 43 weiter in den stromführenden Zustand gelangen. Auf diese Weise erhöht sich der Stromfluß zwischen den Klemmen 30 und 31 und somit auch über die Spule 14, wobei dieser Strom über den Widerstand 36 gezogen wird. Am Widerstand 36 baut sich ein Spannungsabfall auf, der dem Strom des Ausgangsschaltkreises 34 proportional ist und auf eine Weise benutzt wird, die später noch zu beschreiben sein wird.

Der spannungsempfindliche Eingang 35 wird zunächst durch die Spannung eines ersten Last-SteuerSchaltkreises 45 beaufschlagt, der einen Widerstand 46 und eine parallel geschaltete Spannungsbegrenzungsdiode 47 aufweist, die zusammen über eine weitere Diode 50 an den Eingang 35 gelegt sind. Die Diode 50 ist ferner über einen Transistor 51 und einen Einstellwiderstand 52 an die Leitung 26 angeschlossen. Der erste Last-Steuerschaltkreis 45 wird durch einen Widerstand 53 und eine Zenerdiode 54 vervollständigt, welche einen Basisspannungsteiler für den Transistor 51 bilden, wobei die Basis an dem gemeinsamen Verbindungspunkt 55 von Widerstand 53 und Zenerdiode 54 angeschlossen ist. Die Zenerdiode 54 erzeugt hierbei eine feste Vorspannung an der Basis des Transistors 51, wodurch der Transistor 51 in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an der Zenerdiode 54 und dem Einstellwiderstand 52 immer einen Strom mit einem gewissen einstellbaren Minimumpegel führt. Durch diesen Minimum-Strompegel ergibt sich immer ein Minimum-Spannungspegel am Eingang 35 des Ausgangsschaltkreises entsprechend dem Spannungsabfall über dem Widerstand 46 und der Diode 50.

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Der spannungsempfindliche Eingang 35 ist über eine Leitung 56 an zwei andere Transistorschaltkreise angeschlossen, die ihrerseits einen zweiten und einen dritten Last-Steuerschaltkreis bilden.

Der zweite Last-Steuerschaltkreis 60 weist einen Transistor auf, dessen Kollektor an die Leitung 56 und dessen Emitter 62 über einen zweiten Einstellwiderstand 63 an die Leitung 26 angeschlossen ist. Der Transistor 61 wird von einem Spannungsabfall gesteuert, der über einer Diode 64 und einem Widerstand 65 erzeugt wird, die ihrerseits die Basis des Transistors 61 mit der Leitung 26 verbinden. Die Diode 64 ist über eine Leitung 66 an die Ausgangsklemme 23 des Steuerverstärkers 22 angeschlossen und erhält ein proportionales Steuersignal in Abhängigkeit von dem überwachten Zustand, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors 61 in einer noch zu beschreibenden Weise beeinflußt wird.

Das System wird durch einen dritten Last-Steuerschaltkreis 70 vervollständigt, welcher einen Transistor 71 aufweist, der einerseits an die Leitung 56 und andererseits über einen Widerstand 72 an die Leitung 26 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 71 ist über einen Widerstand 73 an die Leitung 26 und über eine Leitung 74 und eine Diode 75 mit dem Schaltausgang 24 des Steuerverstärkers 22 verbunden. Der dritte Last-Steuerschaltkreis 70 wird nur wirksam, wenn der Ausgang an der Klemme 24 verfügbar ist und dies tritt nur dann auf, wenn der Steuerverstärker 22 an eine Zustands-Überwachungseinrichtung 10 angeschlossen ist, die nicht ordnungsgemäß funktioniert. Die Wirkungsweise des dritten Last-Steuerschaltkreises 70 wird in Zusammenhang mit der Gesamt-Betriebsweise des Systems beschrieben.

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Die Wirkungsweise des in Figur 1 dargestellten Systems kann am besten verstanden werden, wenn anfänglich unterstellt wird, daß die Zustands-Überwachungseinrichtung 10 einen ungestörten Zustand erfaßt, der eine öffnung des spulenbetätigten modulierenden Ventils 12 nicht erfordert. Die Versorgungsspannung an den Klemmen 27 und 28 liegt an, so daß der Steuerverstärker 22 ein dem ausgeglichenen Zustand entsprechendes Signal liefert. Unter diesen Bedingungen fließt ein Strom von der Klemme 27 durch den Widerstand 53 und die Zenerdiode 54, wodurch der Transistor 51 in den leitenden Zustand gerät. Der Stromfluß durch den Transistor 51 stabilisiert sich auf einem Pegel, der durch die Zenerdiode 54 und den Wert des Einstellwiderstandes 52 vorgegeben ist. Der durch den Transistor 51 fließende Strom fließt ebenfalls durch den Widerstand 46. Hierdurch wird ein leichter Spannungsabfall über dem Widerstand 46 erzeugt, wobei dieser Spannungsabfall jedoch unterhalb von 0,6 Volt liegt, welche erforderlich sind, um die Diode 47 in den leitenden Zustand zu bringen. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 46 und der Diode 50 führt zu einer Spannung am Eingang 35, die unterhalb der Spannung auf der Leitung 25 liegt. Somit gelangt der Transistor 37 in den stromführenden Zustand, wobei ein Strom sowohl durch den Widerstand 36, als auch durch den Transistor 37 fließt. Der durch den Transistor 37 fließende Strom erzeugt einen Spannungsabfall über dem Widerstand 41, wodurch der Transistor 42 entsprechend proportional durchgesteuert wird. Der durch den Transistor 42 fließende Strom wird durch den nachgeschalteten Transistor 43 noch verstärkt, so daß ein Strom von der Leitung 25 über den Widerstand 36, die Spule 14 und den Transistor 43 nach der Leitung 26 fließt. Die über dem Widerstand 36 abfallende Spannung entspricht dem Spannungsabfall über dem Widerstand 46, so daß das System mit diesem niedrigsten eingestellten Strom stabil arbeitet.

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Erfasst die Zustands-Überwachungseinrichtung einen Zustand, welcher die Öffnung des Ventile 12 erfordert, so erzeugt der Steuerverstärker 22 an seiner Ausgangsklenane 23 einen Strom durch die Diode 64 und den Widerstand 65. Auf diese Weise gelangt der Transistor 61 in den stromführenden Zustand, wodurch der durch den ersten Last-Steuerschaltkreis 45 vorgegebene erste Pegel überschritten wird. Der Transistor 61 zieht Strom über die Leitung 56 und durch den Widerstand 46 und die Diode 50. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 46 steigt somit an, was gleichzeitig zu einem Abfall der Spannung an dem Eingang führt. Wenn die Spannung an dem Eingang 35 abfällt, wird der Transistor 37 weiter in den leitenden Zustand getrieben, wodurch der Stromfluß durch die Transistoren 42 und 43 und somit auch durch die Spule 14 weiter zunimmt. Der Stromfluß durch die Spule 14 steigt proportional mit dem Strom durch den Transistor 61 innerhalb des Betriebsbereiches der Vorrichtung an. Die obere Betriebsbereichsgrenze wird durch den Emitterwiderstand 63 bei abgeglichenem Schaltkreis vorgegeben. Wenn der Transistor 61 einen solch hohen Strom zieht, daß der Spannungsabfall über dem Widerstand 46 0,6 Volt erreicht, so beginnt die Diode 47 zu leiten. In diesem Moment kann der Spannungsabfall über dem Widerstand 46 nicht weiter ansteigen, wodurch der obere Pegel des Stromflusses hinsichtlich der Spule 14 festgelegt wird. Es sei daran erinnert, daß der Spannungsabfall über dem Widerstand 36 dem Spannungsabfall über dem Widerstand 46 folgt, so daß für den Fall, daß der Spannungsabfall über dem Widerstand 46 auf dem Maximalwert von 0,6 Volt festgehalten wird, die Spannung über dem Widerstand 36 diesen Wert ebenfalls nicht überschreiten kann. Die Diode 50 wurde zur Kompensation der Basis-Emitterdiode des Transistors 37 vorgesehen, wodurch diese beiden Parallelschaltkreise völlig aufeinander abgestimmt werden.

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Wenn der Transistor 61 einmal einen Stromflußpegel erreicht hat, der über dem Widerstand 46 einen Spannungsabfall von 0,6 Volt erzeugt, so führt jeder Stromanstieg durch den Transistor 61 zu keinem weiteren Stromanstieg durch die Spule 14.

Die vorstehende Beschreibung betrifft die Normalbetriebsweise der Regeleinrichtung. Für den Fall einer Fehlfunktion der Zustands-überwachungseinrichtung 10, wodurch beispielsweise der Steuerverstärker 22 aus seinem normalen Arbeitsbereich gelangt, wird an der Ausgangsklemme 24 ein Ausgangssignal abgegeben, welches den Transistor 71 in den leitenden Zustand bringt. Der Transistor 71 und sein Kollektorwiderstand 72 sind so bemessen, daß der gezogene Strom ausreichend ist, um an dem Widerstand 46 einen Spannungsabfall von mindestens 0,6 Volt zu erzeugen, wodurch der stromsteuernde Ausgangsschaltkreis 34 voll durchgesteuert und das Ventil 12 vollständig geöffnet wird. Der dritte Last-Steuerschaltkreis 70 ist somit eine Überlast-Schutzeinrichrung, die je nach Erfordernissen des vorliegenden Regelsystems in herkömmlicher Weise benutzt oder auch weggelassen werden kann. Die Wirkungsweise der zustandsabhängigen Regeleinrichtung ist unabhängig von Spannungsschwankungen, welche zwischen den Klemmen 27 und 28 auftreten können.

In Figur 2 ist ein Diagramm dargestellt, welches den typischen Stromverlauf durch die Spule 14 des Ventils 12 über dem geregelten Zustand darstellt. Es sei hier vermerkt, daß hinsichtlich des Stromverlaufes der Strom durch die Ventilspule 14 in einem unteren Kalibrierpunkt 80 mit einem bestimmten Betrag einsetzt. Dieser untere Kalibrierpunkt wird durch den ersten Last-Steuerschaltkreis 45 vorgegeben, indem die Zenerdiode 54 im Basisspannungsteiler und der Einstellwiderstand 52 im Emitterkreis des Transistors 51 entsprechend gewählt werden. Der ansteigeöäe Stromverlauf 81 gemäß Figur 2 entspricht dem Stromfluß durch die Spulenwicklung 14 für den Fall, daß die Zustands-tiberwachungseinrichtung 10 den zweiten Last-Steuerschaltkreis 60

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zur Abgabe eines zusätzlichen proportionalen Stromes durch die Spule 14 veranlaßt bis der Punkt 82 auf dem Kurvenzug erreicht ist. Der Punkt 82 ist durch Auswahl des Emitterwiderstandes 63 des Transistors 61 des zweiten Last-Steuerschaltkreises 60 einstellbar, wobei diese Auswahl so zu treffen ist, daß der Spannungsabfall über den Widerständen 46 und 36 den zuvor erwähnten 0,6 Volt entspricht. Der weitere Kurvenverlauf 83 entspricht einem Konstantstrom, der von dem zu überwachenden Zustand nicht mehr beeinflußt wird, sofern der der völligen öffnung des Ventils entsprechende Kalibrierpunkt 82 auf Grund der Auswahl der Schaltkreisparameter erreicht ist.

Gemäß Figur 3 ist eine den zu regelnden Zustand beeinflussende Last 12 als Heizwiderstand 84 dargestellt. Die Anschlußklemmen 30 und 31 der zustandsabhängigen Regeleinrichtung 11 dienen hierbei dem Anschluß des Heizwiderstandes 84 anstelle des spulenbetätigten modulierenden Ventils gemäß Figur 1. Im vorliegenden Fall wird die von dem System erzeugte Hitze in Abhängigkeit von der Zustandserfassung durch das Zustands-Überwachungssystem durch einen zwischen zwei Grenzwerten gesteuerten Strom erzeugt.

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Claims (8)

Patentansprüche

1. Zustandsabhängige Regeleinrichtung mit einem an eine Zustands-überwachungseinrichtung angeschlossenen Steuerverstärker und einer zwecks Änderung des Zustandes gesteuerten Last, gekennzeichnet durch einen stromsteuernden, auf die Last (12) modulierend einwirkenden Ausgangsschaltkreis (34) mit einem spannungsabhängigen Eingang (35),

einen ersten Last-Steuerschaltkreis (45) mit einer veränderlichen Ausgangsspannung, die an den Eingang (35) des Ausgangsschaltkreises (34) angeschlossen ist, wobei der erste Last-Steuerschaltkreis (45) eine feste Ausgangsspannung abgibt, wenn der Steuerverstärker (22) ein Ausgangssignal unterhalb eines ersten Pegels abgibt und einen zweiten an den Steuerverstärker (22) angeschlossenen Last-Steuerschaltkreis (60), der ebenfalls mit dem Eingang (35) des Ausgangsschaltkreises (34) zwecks Veränderung der Eingangsspannung im Sinne einer Erhöhung des Stromes durch die Last (12) verbunden ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Last-Steuerschaltkreis (45) einen Transistor (51) aufweist, dessen Grundstrom so eingestellt ist, daß der Steuerschaltkreis (45) die genannte feste Ausgangsspannung abgibt, falls der Steuerverstärker (22) eine Ausgangsspannung unterhalb des genannten ersten Pegels abgibt.

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3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1_# dadurch gekennzeichnet , daß der erste Last-Steuerschaltkreis (45) einen Widerstand (46) und ein Spannungs-Begrenzungsmittel (47) in Parallelschaltung aufweist, wobei diese Parallelschaltung an den spannungsabhängigen Eingang (35) des Ausgangsschaltkreises (34) gelegt ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Last-Steuerschaltkreis (60) einen Transistor (61) aufweist, der von dem Steuerverstärker (22) gesteuert wird und der den von dem ersten Last-Steuerschaltkreis (45) gezogenen Strom verändert, wenn der Steuerverstärker (22) ein Ausgangssignal über dem ersten Pegel abgibt.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß als Spannungs-Begrenzungsmittel eine Diode (47) angeordnet ist.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß im Basisspannungsteiler des Transistors (51) eine Zenerdiode (54) angeordnet ist.

7. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Transistoren (51, 61) Emitterwiderstände (52, 63) zur Einstellung der Arbeitsbereichsgrenzen des Ausgangsschaltkreises (34) aufweisen.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dritten Last-Steuerschaltkreis (70), der an den Steuerverstärker (22) und an den Eingang (35) des Ausgangsschaltkreises (34) angeschlossen ist und beim Ausfall der Zustands-Überwachungseinrichtung (10) und eines dadurch von dem Steuerverstärker (22) abgegebenen entsprechenden Ausgangssignales die Signale des ersten und zweiten Last-Steuerschaltkreises (45, 60) übersteigt.

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