DE2600840A1

DE2600840A1 - Schrittmotor

Info

Publication number: DE2600840A1
Application number: DE19762600840
Authority: DE
Inventors: Takayasu Machida; Fumio Nakajima; Kenji Yamada
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1975-09-27
Filing date: 1976-01-12
Publication date: 1977-04-07
Also published as: CH621455B; US4048548A; JPS5240712A; GB1525480A; DE2600840C3; DE2600840B2; CH621455GA3

Description

A. GRÜNECKER

OIPL-ING

H. KiNKELDEY

K.

DR RER NAT. ■ DlPL-PHYS

P. H. JAKOB

DtPL-INQ

G. BEZOLD

DR. RER MAT - DlPL-CHEM

MÜNCHEN E. K. WEIL

DFlRBlOEClMa

LINDAU

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

12. Januar 1976 Citizen.Watch Company Limited P 9999

No. 9-18, 1-chome, Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

Schrittmotor

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit einem Permanentmagneten als Rotor und einem Stator, der eine Erregerwicklung und zwei Statorpolstücke aufweist, die im Abstand voneinander derart angeordnet sind, daß sie einen Luftzwischenraum bilden, in dem der Rotor drehbar angebracht ist.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Schrittmotoren, und insbesondere auf einen umschaltbaren Schrittmotor zur Verwendung in einer elektronischen Zeitgeber.

Bekanntlich werden Schrittmotoren, die auch Impulsmotoren genannt werden, infolge der Einführung der digitalen Impulstechnik industriell in immer größerem Um-

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TELEFON (OB3)29 28 62 TELEX O5-293BO TELEGRAMME MONAPAT

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fang verwandt. Elektronische Uhren mit elektromechanischen Zeitmeßbewegungen, die von Schrittmotoren angetrieben werden, stellen eine dieser Verwendungsmöglichkeiten dar. Derartige Motoren drehen sich nur in eine Richtung und im typischen Fall um 180° bei jedem Eingangsimpuls. Ein Schrittmotor besteht gewöhnlich aus einem Rotor und einem mit einer Erregerwicklung versehenen Stator. Der Stator weist zwei Polstücke auf, die bezüglich einer mittleren Achse zwischen den Polstücken zueinander versetzt angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung ist es schwierig, die Statorpolstücke so anzuordnen, daß sich eine stabile Arbeitsweise des Rotors ergibt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Statorpolstücke in einem Stück miteinander auszubilden und durch Prägen zu formen. Bei dieser Möglichkeit ist es erforderlich, daß ein kompliziertes Werkzeug für die speziellen Statorpolstücke geschaffen wird. Zusätzlich kann ein Schrittmotor dieser Art infolge seines ihm eigenen Aufbaus nicht in die entgegengesetzte Richtung betrieben werden.

Es sind bereits verschiedene Arten von umschaltbaren Schrittmotoren zur Verwendung in elektronischen Uhren vorgeschlagen worden. Jeder dieser Schrittmotoren weist gewöhnlich mehr als drei Statorpolstücke und zwei Erregerwicklungen auf, wodurch der Gesamtaufbau größer ist und diese Schrittmotoren für elektronische Uhren nicht geeignet sind, da in diesen nur ein geringer Platz für den Schrittmotor zur Verfügung steht. Da ein derartiger Schrittmotor darüberhinaus durch vierphasige Impulse betrieben wird, ist die Treiberschaltung notwendigerweise im Aufbau sehr kompliziert.

Erfindungsgemäß ist der Schrittmotor der eingangs ge-7098H/021 1

nannten Art dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Statorpolstücke einen ersten und einen zweiten Teil aufweist, die asymmetrisch zueinander sind, wobei entweder die ersten oder die zweiten Teile einen höheren magnetischen Widerstand als die anderen Teile haben, und wobei die ersten Teile der Statorpolstücke diametral einander gegenüber angeordnet sind.

Durch die Erfindung wird somit ein Schrittmotor zur Verwendung in elektronischen Uhren geliefert, der einen Permanentmagnet als Rotor und eine mit einer Erregerwicklung versehenen Stator aufweist. Der Stator besteht aus zwei Statorpolstücken, von denen jedes asymmetrische Teile aufweist, die einen primären und einen sekundären magnetischen Weg jeweils liefern, so daß sich zwei statische Gleichgewichtslagen ergeben. Der Rotor kann in einer dieser beiden statischen Gleichgewichtslagen dadurch stabil sein, daß die Lieferung von zweiphasigen Impulsen zur Erregerwicklung gesteuert wird, so daß der Rotor in eine normale und eine dazu entgegengesetzte Richtung gedreht werden kann.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die schematische Ansicht eines herkömmlicher Schrittmotors zur Verwendung in einer elektronischen Uhr.

Fig. 2 zeigt die schematische Ansicht eines weiteren herkömmlichen Schrittmotors zur Verwendung in einer elektronischen Uhr.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des in Fig. 2 dargestellten Schrittmotors.

Fig. 4 und 5 zeigen schematische Ansichten des Ausführungsbeispiels, wobei in Fig. 4 die Drehung des Rotors in die normale Richtung und in Fig. 5 die Drehung des Rotors in die dazu entgegengesetzte Richtung dargestellt ist.

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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Erregerschaltung für den in Fig.4 und 5 dargestellten Schrittmotor.

Fig. 7 zeigt in einem Diagramm die Wellenform der Taktimpulse, die durch die in Fig. 6 dargestellte Schaltung erzeugt werden.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Schrittmotors zur Verwendung in elektronischen Uhren dargestellt. Dieser Schrittmotor weist einen Permanentmagneten " 10 als Rotor und einen Stator 12 mit Statorpolstücken 14 und 16 auf, die von einer Erregerwicklung 18 erregt werden. Die Statorpolstücke 14 und 16 sind derart angeordnet, daß ihre Krümmungsmittelpunkte um eine Strecke Λ/fc zueinander versetzt sind, und der Rotor 10 somit auf einer Achse A-A¹ des statischen Gleichgewichtes stabil sein kann. Folglich wird der Rotor 10 durch das Anlegen von Wechselstrompulsen an die Erregerspule 18 nur in eine einzige Richtung gedreht. Er kann nicht in die entgegengesetzte Richtung gedreht werden. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Motors liegt darin, daß es schwierig ist, die Statorpolstücke mit der notwendigen Genauigkeit zu montieren.

In Fig. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen umschaltbaren Schrittmotors dargestellt. Der umschal tbare Schrittmotor weist einen Rotor 20 und einen Stator 22 auf. Der Rotor 20 enthält ein Magnetpaar 24 und einen Läufer 26 aus einem magnetischen Material, die zentriert und auf einer Welle 28 befestigt sind. Der Stator 22 umfaßt vier Statorpolstücke 30 und 32, die einander teilweise überlappen und mit Hilfe von Schrauben 3^· magnetisch miteinander in Verbindung stehen. Jedes Polstück wird durch eine Erregerwicklung 36 erregt, die um einen Teil des Polstückes gewickelt ist. Bei einem derartigen .aufbau kann der Rotor 20 in eine normale oder die dazu entgegengesetzte Richtung dadurch gedreht werden, daß vierphasige Strompulse den

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Erregerwicklungen 36 geliefert werden.Ein Nachteil besteht bei diesem Aufbau jedoch darin, daß der Schrittmotor infolge des ihm eigenen Aufbaus sehr groß ist. Ein derartiger Schrittmotor*, ist daher für eine Verwendung in einer elektronischen Uhr, beispielsweise einer Armbanduhr, nicht geeignet, in der nur ein geringer Platz zum Einbau des Schrittmotors zur Verfügung steht.

Das Ziel der Erfindung ist ein verbesserter umschaltbarer Schrittmotor, dessen Aufbau einfach ist und der leicht herzustellen ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Schrittmotors, der diesen Forderungen genügt, ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Das in diesen Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel des Schrittmotors umfaßt einen Permanentmagneten 40 als Rotor, der drehbar innerhalb eines von einem Stator 44 gebildeten Luftzwischenraumes 42 angeordnet ist. Der Stator 44 besteht aus Statorpolstücken 46 und 48, die mit Hilfe eines magnetisch leitenden, langgestreckten Bauteils 49 magnetisch miteinander in Verbindung stehen. Eine Erregerwicklung 50, die um das magnetisch leitende, langgestreckte Bauelement 49 gewickelt ist, wird in der im folgenden im einzelnen beschriebenen Weise erregt. Die Statorpolstücke 46 und 48 sind derart angeordnet, daß sich zwei verschiedene Flußwege ergeben, die von den Statorpolstücken durch den Rotor 40 verlaufen und von denen der eine Flußweg eine höhere Flußdichte als der andere hat. Im einzelnen weist das Statorpolstück 46 einen ersten und einen zweiten Teil 46a und 46b auf, die asymmetrisch zueinander sind und einen primären und einen sekundären magnetischen Flußweg mit unterschiedlicher Länge liefern. Der primäre magnetische Flußweg des ersten Teils 46a hat einen geringeren magnetischen Widerstand und trifft auf die Achse X-X¹

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eines ersten statischen Gleichgewichts am ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52 für die normale Drehung des Rotors. Der sekundäre magnetische Flußweg hat einen höheren magnetischen Widerstand und trifft auf die Achse Y-Y¹ eines zweiten statischen Gleichgewichts am zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 5^· für eine Drehung des Rotors in die umgekehrte Richtung. In ähnlicher Weise weist das Statorpolstück 48 einen ersten und einen zweiten Teil 48a und 48b auf, die zueinander asymmetrisch sind und die einen primären und einen sekundären magnetischen Flußweg jeweils liefern. Der primäre magnetische Flußweg des ersten Teils 48a hat einen geringeren magnetischen Widerstand und trifft auf die Achse X-X¹ des ersten statischen Gleichgewichts am ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52'. Der sekundäre magnetische Flußweg des zweiten Teils 48b hat einen höheren magnetischen Widerstand und trifft auf die A_chse Y-Y¹ des zweiten statischen Gleichgewichts am zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 54^!. Daraus ergibt sich, daß es wenigstens einen statischen Gleichgewichtspunkt an einer Stelle zwischen den Statorpolstücken und symmetrisch zur zentralen Achse Z-Z¹ gibt. Die in dieser Weise aufgebauten Statorpolstücke 46 und sind derart angeordnet, daß die ersten Teile der beiden Statorpolstücke diametral einander gegenüberliegen. Selbstverständlich ist der Rotor 40 auf den Achsen des ersten und zweiten statischen Gleichgewichts für eine Drehung des Rotors in die normale und dazu entgegengesetzte Richtung stabil.

In Fig. 4 ist der Rotor 40 stabil auf der Achse X-X¹ für die normale Drehung des Rotors 40, d.h. die Drehung

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im Uhrzeigersinn, dargestellt. In diesem Zustand läuft ein magnetischer Hauptfluß, der von dem als Permanentmagnet vorliegenden Rotor 40 erzeugt wird, quer über den Luftzwischenra.um 42 durch den ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52 im ersten Teil 46a des Statorpolstücks 46, durch das langgestreckte Bauelement 49 und das Statorpolstück 48 zum ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52' im ersten Teil 48a und quer über den LuftZwischenraum 42 in den Rotor 40 zurück, so daß der magnetische Kreis geschlossen und der magnetische Widerstand am kleinsten ist. Wenn der Rotor 40 in der Darstellung in Fig. 4 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, wird der Nordpol des Rotors 40 vom ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52 fort und auf den zweiten 'statischen Gleichgewichtspunkt 54 zu bewegt. Gleichzeitig wird der Südpol des Rotors 40 vom ersten statischen GIeichgewichtspunkt 52' fort und auf den zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 54' zu bewegt. In diesem Fall wird der Flußweg verlängert und steigt somit der magnetische Widerstand an. Folglich beginnt ein Teil des magnetischen Hauptflusses über den sekundären magnetischen Flußweg im zweiten Teil 46b des Statorpolstückes 46, quer über den Luftzwischen raum 42, durch den Rotor 40 und quer über den Luftzwischenraum 42 zum sekundären magnetischen Flußweg im zweiten Teil 48b des Statorpolstücks 48 zurückzufließen,und der Rotor ist in einer Lage stabil, in der der magnetische Fluß durch die Achse des zweiten statischen Gleichgewichts im Gleichgewicht zu dem magnetischen Fluß steht, der durch die Achse des ersten statischen Gleichgewichts fließt, d.h. in der Lage, die durch die zweiten statischen Gleichgewichtspunkte 54 und 54' in Fig. 5 dargestellt ist.

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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Erregerschaltung für die Erregerwicklung 50, die einen Teil des in den Fig. 4 und 5 dargestellten Schrittmotors bildet. Die Erregerschaltung enthält einen Steuerschalter S, der zwischen einer positiven Energieversorgungsklemme 60 und der anderen Klemme oder der an Masse liegenden Seite 62 einer Energieversorgung vorgesehen ist. Der Steuerschalter S weist einen festen Kontakt a, der mit der positiven Energieversorgungsklemme 60 in Verbindung steht, einen festen Kontakt b, der mit der an Masse liegenden Seite 62 der Energieversorgung verbunden ist, und einen beweglichen Kontakt c auf, der mit einem der beiden festen Kontakte a und b in Kontakt kommen kann. Der bewegliche Kontakt c steht mit den Eingängen von UND-Gliedern 64 und 66 in Verbindung, an denen Taktimpulse 0* und 0~ liegen. Der Ausgang des UND-Gliedes 64 steht mit einem invertierenden Verstärker 68 in Verbindung, der seinerseits mit einer Klemme der Erregerwicklung 50 des Schrittmotors verbunden ist. In ähnlicher Weise steht der Ausgang des UND-Gliedes 66 mit einem invertierenden Verstärker 70 in Verbindung, der seinerseits mit der anderen Klemme der Erregerwicklung 50 verbunden ist.

Wenn der in Fig. 7 dargestellte Taktimpuls 0^ derart der Erregerwicklung 50 des Schrittmotors geliefert wird, daß das Sta.torpolstück 56 eine Nordpolarität hat, während das Statorpolstück 48 eine Südpolarität hat, wenn der Rotor 40 in der in Fig. 4 dargestellten Lage stabil ist, so wird der Rotor 40 schrittweise um einen Winkel von 180° in die normale Richtung, d.h. in Fig. 4 in die Richtung im Uhrzeigersinn, gedreht. In diesem Fall ist die kinetische Energie des Rotors 40 größer als

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die an den zweiten statischen Gleichgewichtspunkten 54 und 54' beim Durchgang des Rotors 40 erzeugten Repulsionskraft. Folglich setzt der Rotor 40 seine Drehung fort, ohne daß er von den Repulsionskräften, die an den zweiten statischen Gleichgewichtspunkten und 54' erzeugt werden, beeinflußt wird, und hält schließlich in einer Lage an, in der sich der Nordpol des Rotors 40 so nahe wie möglich am ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52' befindet, während sein Südpol so nahe wie möglich am ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52 liegt. In dieser Weise wird der Rotor 40 dadurch in die normale Richtung gedreht, daß wechselweise Taktimpulse 0^ und 0₂ der Erregerwicklung 50 des Schrittmotors geliefert werden.

Wenn in dem in Fig. 5 dargestellten Zustand der Taktimpuls 0* der Erregerwicklung 50 geliefert wird, bildet das Statorpolstück 46 den Südpol, während das Statorpolstück 48 den Nordpol bildet. Unter diesen Umständen ist der Rotor 40 in einer Lage stabil, in der sich der Nordpol so nahe wie· möglich am ersten statischen Gleichgewichtspunkt 52 befindet und der Südpol so nahe wie möglich am ersten Gleichgewichtspunkt 52^! liegt. Wenn in diesem Fall der bewegliche Kontakt c des Steuerschalters S für eine bestimmte Zeitdauer T = t^ + t₂ in Kontakt mit dem festen Kontakt b gebracht wird, wird das UND-Glied 66 gesperrt und der Taktimpuls 0₂ durch das UND-Glied 66 nicht durchgelassen, wie es durch den Taktimpuls 0₂' in Fig. 7 dargestellt ist. Wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt t₂ der bewegliche Kontakt c in Kontakt mit dem festen Kontakt a gebracht wird, wird der Taktimpuls 0₁ durch das UND-Glied 64 durchgelassen und liegt wiederum an der Erregerwicklung 50. Unter diesen Umstän-

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den werden die Statorpolstücke 46 und 48 derart erregt, daß das Statorpolstück 46 den Südpol und das Statorpolstück 48 den Nordpol bilden. Das führt dazu, daß am Rotor 40 ein geringes Gegendrehmoment liegt, und daß dieser folglich in die entgegengesetzte Richtung, d.h. in Fig. 5 in die Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, bis der Rotor 40 in einer Lage anhält, in der sich der Nordpol des Rotors 40 so nahe wie möglich am zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 54 befindet, während der Südpol des Rotors 40 so nahe wie möglich am zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 54* liegt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn in diesem Zustand der ErregerwicMAing 50 der Taktimpuls 0p geliefert wird, werden die Polaritäten der Statorpolstücke 46 und 48 umgekehrt, und der Eotor 40 wird daher schrittweise um einen Winkel von 180° in die umgekehrte Richtung gedreht, bis der Rotor 40 in der Lage des zweiten statischen Gleichgewichts stabil wird, in der der Nordpol des Rotors 40 sich so na.he wie möglich am zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 54' befindet, während der Südpol des Rotors 40 so nahe wie möglich am zweiten statischen Gleichgewichtspunkt 54 liegt. Wenn folglich die Taktimpulse 0^ und 0p wechselweise der Erregerwicklung 50 geliefert werden, wird der Rotor 40 schrittweise um einen Winkel von 180° in die umgekehrte Richtung gedreht. Unter der Annahme, daß die Achse X-X¹ des ersten statischen Gleichgewichts unter einem Winkel OC zu einer Achse Z-Z¹ eines Mittelpunktes zwischen den Statorpolstücken 46 und 48 verläuft, daß die Achse Y-Y^f des zweiten statischen Gleichgewichts unter einem Winkel ß zur Achse Z-Z' verläuft, und daß der gesamte Winkel 90° beträgt, d.h. daß 0C + ß = 90° sind, so kann die Drehung des Rotors 40 dadurch umgekehrt werden, daß zunächst der Rotor 40 schrittweise um einen Winkel von 90° zu einer gegebenen

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statischen Gleichgewichtslage gedreht wird. Bei einer anderen Betriebsweise des Schrittmotors wird der Rotor schrittweise in beide Richtungen um einen Winkel von 180° gedreht.

Aus dem Obigen ergibt sich, daß der erfindungsgemäße Schrittmotor zwei statische Gleichgewichtslagen hat, so daß der Rotor in beide Richtungen unter Verwendung einer einzigen Erregerwicklung gedreht werden kann. Daher kann der erfindungsgemäße Motor sehr einfach mit einem einfachen und kompakten Aufbau hergestellt werden.

Anhand der Figuren wurde lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, an dem verschiedene Abänderungen vorgenommen werden können. Auch die beschriebene Vervrendung des Schrittmotors für eine elektronische Uhr stellt lediglich ein Beispiel der Verwendungsmöglichkeiten dar.

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Leerseite

Claims

26Q0840

Patentansprüche

Schrittmotor mit einem Permanentmagneten als Rotor und einem Stator, der eine Erregerwicklung und zwei Statorpolstücke aufweist, die im Abstand voneinander derart angeordnet sind, daß sie einen Luftzwischenraum bilden, in dem der Rotor drehbar angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Statorpolstücke (46,48) einen ersten und einen zweiten Teil (46a, 46b,48a,48b) aufweist, die asymmetrisch zueinander sind, wobei entweder die ersten oder die zweiten Teile einen höheren magnetischen Widerstand als die anderen Teile haben, und wobei die ersten Teile der Statorpolstücke (46, 48) diametral einander gegenüber angeordnet sind»
2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Teile (46a,46b,48a,48b) magnetische Flußwege verschiedener Länge enthalten.
3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Statorpolstücke (46,48) derart angeordnet sind, daß der erste und der zweite Teil (46a,46b,48a,48b) jedes Polstücks (46,48) bezüglich einer zentralen Achse (Z-Z¹) zwischen den Statorpolstücken (46,48) einander gegenüberliegen.
4. Schrittmotor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polstück (46,48) wenigstens einen statischen Gleichgewichtspunkt (52,52') an Stellen aufweist, die im wesentlichen symmetrisch zum

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Mittelpunkt der Statorpolstücke (46,48) liegen.
5. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpolstücke (46,48) wenigstens zwei Achsen (X-X¹, Y-Y' ) des statischen Gleichgewichts aufweisen, an denen der Rotor (40) stabil ist, wobei der Rotor (40) in eine Richtung drehbar ist, wenn er auf einer Achse (X-X') des statischen Gleichgewichts stabil ist, und wobei der Rotor (40) in die andere Richtung drehbar ist, wenn er auf der anderen Achse (Y-Y¹ ) des statischen Gleichgewichts stabil ist.
6. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche

1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Erregerschaltung, die mit der Erregerwicklung (50) in Verbindung steht und eine Schalteinrichtung (64,66), die wechselweise einen ersten und zweiten Ausgangsimpuls der Erregerwicklung (50) liefert, um wechselweise die Polaritäten der Statorpolstücke (46,48) umzukehren und einen Steuerschalter (S) aufweist, um wahlweise die Schalteinrichtung (64,66) zu sperren und die Lieferung eines der beiden Ausgangsimpulse innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls zu unterbrechen.

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