DE2748757A1

DE2748757A1 - Gleichstromumrichter

Info

Publication number: DE2748757A1
Application number: DE19772748757
Authority: DE
Inventors: Rudolf Schierjott; Bernd Josef Siepmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-10-31
Filing date: 1977-10-31
Publication date: 1979-05-03
Also published as: GB1602920A; DE2748757C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Lf Unser Zeichen:
Berlin und München VPA 77 F 2 413 BRD

Gleichstromumrichter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstromumrichter
mit mindestens einem periodisch schaltenden Schalttransistor
sowie einem Übertrager, dessen Primärwicklung im Kollektorkreis des Schalttransistors liegt und an dessen Sekundär-

wicklung über Gleichrichter zumindest eine stabilisierte Gleichspannung abnehmbar ist, wobei ein äußerer Regelkreis den
Schalttransistor über seinen Basiskreis im Sinne einer Gleichspannungsstabilisierung beeinflußt und wobei dem äußeren
Regelkreis ein nach jedem Einschalten des.Schalttransistors

dessen Abschaltzeitpunkt festlegender innerer Regelkreis unterlagert ist, in dem die am Schalttransistor anliegende Kollektor-Emitter-Spannung als Istwert erfaßt und bei Überschreiten eines Sollwertes zur Abschaltung des am Schalttransistor anliegenden
Basisstroms ausgewertet wird, wobei der Sollwert einer Spannung entspricht, bei der der Transistor im wesentlichen nicht mehr
übersättigt ist.

Pr 1 Wt / 18.1o.1977

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Ein derartiger Gleichstromumrichter ist bereits bekannt (DT-AS 24 45 o33). Dabei wird vom äußeren Regelkreis ein lastabhängiger Basisstrom für den Schalttransistor erzeugt und durch den inneren Regelkreis zum günstigsten Schalt-Zeitpunkt an- bzw. abgeschaltet. Um am Schalttransistor kurze Abschaltzeiten und damit geringe Schaltverluste sicherzustellen, darf dieser nicht aus der Sättigung abgeschaltet werden; zu diesem Zweck wird über den inneren Regelkreis die Restspannung am Schalttransistor gemessen. Dieser bekannte Umrichter arbeitet zufriedenstellend, wenn er an der gleichgerichteten Netzspannung betrieben wird. Probleme ergeben sich jedoch, wenn eine niedrige Eingangsspannung, beispielsweise eine Batteriespannung von nur 24 Volt, anliegt. In diesem Fall muß ein sehr hoher Basisstrom an den Schalttransistor gegeben werden, um die gleiche Leistung schalten zu können. Wollte man diesen hohen Basisstrom mit dem normalen Spannungsregler aus der bekannten Schaltung erzeugen, so ergäbe sich eine unvertretbar hohe Verlustleistung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Gleich-2ο stromumrichter der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß der Schalttransistor auch bei niedriger Eingangsspannung mit geringer Verlustleistung optimal angesteuert wird und diese Eigenschaften in einem großen Eingangsspannungsbereich mit guter Regelgenauigkeit beibehält.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Basis des Schalttransistors ein Schaltverstärker vorgeschaltet ist, bestehend aus einem Verstärker-Übertrager und einem Verstärker-Transistor, wobei die Primärwicklung des Übertragers in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Verstärkertransistors an den Ausgang des äußeren Regelkreises angeschaltet ist und an der Basis des Verstärker-Transistors das Ausgangssignal des inneren Regelkreises anliegt, und wobei die Sekundärwicklung des Verstärker-Übertragers im Basiskreis des Schalttransistors liegt.

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Der erfindungsgemäß vorgesehene Schaltverstärker arbeitet also mit induktiver Kopplung, wobei der Magnetisierungsstrom des Verstärker-Übertragers die Basisansteuerung zur Einschaltung des Schalttransistors übernimmt. Dabei ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß die kalten, also die von Hochfrequenzpotential freien Enden der beiden Wicklungen des Verstärker-Übertragers jeweils gleich gepolt sind,und daß dieser Verstärker-Übertrager einen derartigen Luftspalt besitzt, daß er die Energie für die Basisansteuerung des Schalttransistors zwischenspeichern kann.

Zweckmäßigerweise wird dabei die Induktivität des Verstärkerübertragers so klein gewählt, daß jeweils während einer Schaltperiode des Verstärker-Transistors eine wesentliche Änderung des durch die Sekundärwicklung fließenden Stroms erzwungen wird.

Vom äußeren Regelkreis (Spannungsregler) wird eine Arbeitsspannung für den Schaltverstärker vorgegeben. Dabei wird in den Verstärker-Übertrager primärseitig Energie eingespeichert, solange der Verstärker-Transistor leitet. Wird der Verstärker-Transistor durch den inneren Regelkreis gesperrt, gibt der Verstärker-Übertrager seine Energie an die Basis des Schalttransistors ab. Die Größe des Basisstroms wird vom äußeren Regelkreis bestimmt und ist zunächst größer als für den von Null an linear ansteigenden Kollektorstrom notwendig wäre. Der Transistor ist also am Anfang übersättigt. Am Ende der Stromflußzeit bewirkt die nicht mehr ausreichende Stromverstärkung eine Entsättigung des Lastschalters, was durch ein rasches Ansteigen seiner Restspannung gekennzeichnet ist. Dieses Kriterium stellt der innere Regelkreis in bekannter Weise fest und leitet sofort die Abschaltung ein, indem er den Basisstrom für den Verstärker-Transistor einschaltet. Die Basis des Lastschalters wird dabei mit hohem Strom ausgeräumt, so daß die Abschaltzeit und die Abschaltverluste äußerst gering gehalten werden.

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Zweckmäßigerweise ist der im Kollektorkreis des Verstärkertransistors liegenden Primärwicklung des Verstärker-Übertragers ein Regel-Transistor vorgeschaltet, der durch den äußeren Regelkreis steuerbar ist und an den Schaltverstärker eine lastabhängige Gleichspannung anlegt. Außerdem ist es von Vorteil, im Kollektorkreis des Verstärker-Transistors eine Diode vorzusehen, welche nach dem Abschalten des Verstärker-Transistors ein Wiedereinschalten durch die im Verstärker-Übertrager gespeicherte Energie verhindert. Um den Verstärker-Transistor vor überspannung zu schützen, kann weiterhin parallel zur Primärwicklung des Verstärker-Übertragers ein RC-Glied vorgesehen sein.

Um eine besonders kurze Abschaltzeit des Schalttransistors mit einem möglichst hohen Ausräumstrom zu ermöglichen, ist in einer Weiterbildung der Erfindung ein Kondensator parallel zum Schaltverstärker angeordnet. Dieser Kondensator dient als Zwischenspeicher und sorgt für eine hohe Stromspitze beim Einschalten des Verstärker-Transistors. Weiterhin kann die Sekundärwicklung des Verstärker-Übertragers mit einem parallel geschalteten Widerstand bedämpft sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist außerdem ein Taktgeber vorgesehen, der zum Anschwingen des Umrichters dem Istwerteingang des inneren Regelkreises kurze Pulse niedriger Spannung zuführt. Dadurch wird eine niedrige Kollektorspannung am Lastschalter vorgetäuscht, so daß der Schalttransistor über den Schaltverstärker jeweils kurzzeitig leitend geschaltet wird. Nach übergang in den normalen Schaltbetrieb kann dieser Taktgeber durch eine parallel liegende Diode gesperrt werden. Bei Überspannungen am Eingang reißen die Schwingungen im Umrichter ab, da die Spannung am Schalttransistor nicht mehr durch Null geht. Um zu verhindern, daß in diesem Fall der Taktgeber Einschaltversuche macht, wird zweckmäßigerweise am Ausgang des Taktgebers ein Spannungsteiler vorgesehen, der so

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dimensioniert ist, daß sein am Istwerteingang des inneren Regelkreises liegender Abgriffspunkt bei Überspannung durch die Pulse des Taktgebers die Schaltschwelle des inneren Regelkreises nicht unterschreitet.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild,

Fig. 2 eine ausgeführte Schaltungsanordnung für einen erfindungsgemäßen Gleichstromumrichter.

Die Fig.1 zeigt in einem Blockschaltbild den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gleichstromumrichters. Dieser arbeitet nach dem Sperrwandlerprinzip und ist durch seinen Aufbau besonders gut geeignet, mit einer niedrigen Eingangsspannung eine hohe Ausgangsspannung (z.B. 320 Volt) bei einer relativ hohen Ausgangsleistung zu erzeugen. Die Eingangsspannung wird über ein Filter F zur Funkentstörung zum eigentlichen Umrichter gegeben. Dieser arbeitet nach dem Resonanzprinzip, wobei ein Parallelkondensator PC zum Lastschalter den übertrager UE zu einem Serienschwingkreis ergänzt.

Der Steuerteil ST umfaßt einen inneren Regelkreis mit einem Restspannungsregler RR zur Ansteuerung des Lastschalters LS und einen äußeren Regelkreis mit einem Spannungsregler SR zur Basisstromvorgabe. Um die Verluste bei niedriger Eingangsspannung und hoher Leistung gering zu halten, ist zwischen Spannungsregler SR und Restspannungsregler RR einerseits sowie dem Lastschalter LS andererseits ein Schaltverstärker SV vorgesehen. Dieser arbeitet mit induktiver Kopplung, wobei der Magnetisierungsstrom des Ansteuerübertragers die Basisansteuerung des Lastschalters LS übernimmt. Außerdem enthält der Steuerteil einen Taktgeber TG, der nach dem Anlegen der Eingangsspannung kurze Impulse an den Lastschalter gibt und den Resonanzkreis zum Schwingen anregt.

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Ist der Umrichter einmal angelaufen, so wird vom Restspannungsregler RR immer dann Basisstrom an den Lastschalter LS gelegt, wenn seine Kollektorspannung zu Null wird. Die Größe des Basisstroms wird vom Spannungsregler SR bestimmt und ist zunächst größer als für den von Null an linear ansteigenden Kollektorstrom notwendig. Der als Lastschalter LS eingesetzte Transistor ist also am Anfang übersättigt. Am Ende der Strom—flußzeit bewirkt die nicht mehr ausreichende Stromverstärkung eine Entsättigung des Lastschalters, was durch ein rasches Ansteigen seiner Restspannung gekennzeichnet ist. Dieses Kriterium wird vom Restspannungsregler erkannt, der sofort die Abschaltung einleitet, wobei die Basis des Lastschalters LS mit einem hohen negativen Strom ausgeräumt wird. Die auftretenden Abschaltzeiten und Abschaltverluste sind äußerst gering, da zusätzlich der Parallelkondensator PC zum Lastschalter LS den Spannungsanstieg dämpft.

Der Ausgangskreis umfaßt im wesentlichen einen Gleichrichter GR und einen Speicherkondensator SC. In der Sperrphase gibt der

2ο Übertrager UE seine Energie an diesen Ausgangskreis ab, wobei der Gleichrichterstrom linear auf Null abfällt, bevor der Gleichrichter GR sperrt, die Spannung am Übertrager UE zurückschwingt und der Lastschalter LS erneut einschaltet. Der Speicherkondensator SC dient als Zwischenspeicher, der bei Unterspannung am Eingang seine Energie an den Ausgang abgibt und den Betrieb des angeschlossenen Gerätes kurzzeitig aufrecht erhält.

Die ausgeführte Schaltung für einen erfindungsgemäßen Gleichstromumrichter zeigt Fig.2. Das Eingangsfilter zur Funkentstörung ist symmetrisch aufgebaut mit den Kondensatoren C21, C22, C24 und C25 sowie den Spulen L21 und L22. Zum Filter gehören außerdem die Netzsicherung F1 und die Paralleldiode V21, welche bei Verpolung der Eingangsspannung die Sicherung auslöst.

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Der Lastteil enthält den Eingangskondensator C3 sowie den Schalttransistor V15 und den Übertrager T2. Die Primärwicklung L11 des Übertragers T2 bildet mit dem Kondensator C7 einen Serienschwingkreis. Beim Betrieb wird die Primärwicklung L11 durch den Schalttransistor V15 jeweils solange an die Betriebsspannung angeschaltet, bis gerade soviel Energie im Übertrager T2 gespeichert ist, daß über die Sekundärwicklung L12 und die Diode V11 die Ausgangsspannung von beispielsweise 320 V aufrecht erhalten wird. Parallel zum Schalttransistor V15 liegt die Diode V12, welche den Schalttransistor gegen Umpolung schützt. Der Kondensator C10 dient als Zwischenspeicher bei Einbrüchen der Betriebsspannung sowie zum Verschleifen der Pulslasten eines nachgeschalteten Gerätes (Entkompromittierung). Die Funkentstördrosseln L1 und L2 trennen eine nachfolgende Schaltung HF-mässig ab. Der Übertrager T2 enthält schließlich noch eine Hilfswicklung L13, welche eine Hilfsspannung für den Steuerteil erzeugt.

Der Steuerteil enthält, wie aus Fig.1 ersichtlich, den Spannungsregler SR, den Restspannungsregler RR und den Schaltverstärker SV. Der Spannungsregler besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker D1, der die über den Spannungsteiler von R4 und R1 anliegende Aus gangs spannung mit einer Referenzspannung vergleicht, welche durch die Zenerdiode V2 festgelegt ist. Der Widerstand R5 und der Kondensator C3 geben dem Regler eine dynamisch weiche Kennlinie, um am Ausgang auftretende Pulslasten nicht auf den Eingang zu übertragen. Der Kondensator C1 sorgt dafür, daß statisch die bleibende Regelabweichung zu Null wird.

Der Ausgang des Spannungsreglers SR steuert die Höhe des Basisstroms am Schalttransistor V15. Zu diesem Zweck gibt der Operationsverstärker D1 über den Transistor V13 und den Widerstand R15 eine lastabhängige Arbeitsspannung an den Schaltverstärker 5V, der im wesentlichen einen Verstärker-

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übertrager Τ1 und einen Verstärkertransistor V14 enthält. In die Primärwicklung dieses Übertragers T1 wird über die Dioden V7 und V8 Energie eingespeichert, wenn der Transistor V14 leitet. Wenn V14 sperrt, gibt der übertrager T1 seine Energie über die Sekundärwicklung L15 an die Basis des Schalttransistors V15 ab. Der zum Ende der Stromflußzeit in V15 abnehmende Basisstrom ist hierbei ungefährlich und sogar erwünscht. Der Transistor V14 führt außerdem beim Einschalten den im übertrager T1 übersetzten Ausräumstrom für den Schalttransistor V15. Um eine möglichst steile Stromspitze beim Einschalten von V14 zu erhalten, ist ein Kondensator C4 als Zwischenspeicher parallel geschaltet. Der übertrager T1 ist mit dem Widerstand R19 bedämpft, der parallel zur Sekundärwicklung L15 liegt. Außerdem ist ein RC-Glied, bestehend aus C5 und R17, parallel zur Primärwicklung L14 vorgesehen, um den Transistor V14 vor überspannung zu schützen.

Der Verstärkertransistor V14 wird vom Restspannungsregler RR angesteuert. Wesentlicher Bestandteil des Restspannungsreglers ist der Operationsverstärker D3, der über den Widerstand R10 die Spannung am Kollektor des Schalttransistors V15 abfragt und mit einer Sollspannung vergleicht. Diese Sollspannung wird über den Spannungsteller R11/R12 von der Zenerdiode V2 gebildet. Sobald die Kollektor-Emitter-Spannung des Schalttransistors V15 den eingestellten Wert von beispielsweise 2 Volt übersteigt, wird der Verstärkertransistor V14 eingeschaltet und der Schalttransistor V15 gesperrt.

Zum Anschwingen des Umrichters dient der Taktgeber TG mit

dem Operationsverstärker D2, den Widerständen R3, R6, R7 und R8 sowie der Diode V3 und dem Kondensator C2. Nach dem Einschalten der Eingangsspannung erscheint am Ausgang von D2 zunächst das Potential Hj dadurch wird über R7 der Konden sator C2 aufgeladen. Sobald die Spannung an C2 den Vergleichs wert am Eingang von D2 überschreitet, erscheint am Ausgang das

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Potential L, so daß sich der Kondensator C2 über R8 und die Diode V3 wieder entlädt. Auf diese Weise gibt der Taktgeber über den Widerstand R9 kurze Pulse an den Restspannungsregler und täuscht dadurch eine niedrige Kollektorspannung des Schalttransistors vor. über den Schaltverstärker wird somit der Schalttransistor jeweils für zwei bis drei Mikrosekunden leitend geschaltet, und der Schwingkreis von L11 und C7 beginnt zu schwingen. Nach übergang in den normalen Schaltbetrieb wird der Taktgeber durch die Diode VA gesperrt.

Bei Betriebsspannungen über einer vorgegebenen Höhe reißen die Schwingungen im Umrichter ab, da die Spannung am Schalttransistor dann nicht mehr durch Null geht. Um zu verhindern, daß in diesem Fall der Taktgeber Einschaltversuche macht, ist der Spannungsteiler R1O/R9 so ausgelegt, daß mit den Pulsen des Taktgebers die Schaltschwelle am Eingang des Restspannungsreglers nicht mehr unterschritten wird. Damit kann auch der Schalttransistor durch die Pulse des Taktgebers nicht mehr eingeschaltet werden, bis die Betriebsspannung auf einen hin-

2ο reichend niedrigen Wert abgesunken ist. Die Speisung des Steuerteils erfolgt beim Anlauf über die Diode V9 sowie über die Widerstände R14 und R18. Nach dem Hochlaufen der Ausgangsspannung wird der Steuerteil aus der Hilfswicklung L13 über die Diode V10 sowie über die Diode V6 und den Widerstand R13 gespeist, wobei sich am Kondensator C6 die benötigte Hilfsspannung einstellt. Die Zenerdiode V1 schützt dabei die Operationsverstärker D1, D2 und D3 vor überspannung.

13 Patentansprüche 2 Figuren

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Leerseite

Claims

Patentansprüche:

1J Gleichstromumrichter mit mindestens einem periodisch schaltenden Schalttransistor sowie einem Übertrager, dessen Primärwicklung im Kollektorkreis des Schalttransistors liegt und an dessen Sekundärwicklung über Gleichrichter zumindest eine stabilisierte Gleichspannung abnehmbar ist, wobei ein äußerer Regelkreis den Schalttransistor über seinen Basiskreis im Sinne einer Gleichspannungsstabilisierung beeinflußt und wobei dem äußeren Regelkreis ein nach jedem Einschalten des Schalttransistors dessen Abschaltzeitpunkt festlegender innerer Regelkreis unterlagert ist, in dem die am Schalttransistor anliegende Kollektor-Emitter-Spannung als Istwert erfaßt und bei überschreiten eines Sollwertes zur Abschaltung des am Schalttransistor anliegenden Basisstromes ausgewertet wird, wobei der Sollwert einer Spannung entspricht, bei der der Transistor im wesentlichen nicht mehr übersättigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis des Schalttransistors (V15) ein Schaltverstärker (SV) vorgeschaltet ist, bestehend aus einem Verstärker-Übertrager (T1) und einem Verstärker-Transistor (V14), wobei die Primärwicklung (L14) des Verstärker-Übertragers (T1) in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Verstärker-Transistors (V14) an den Ausgang des äußeren Regelkreises (SR) angeschaltet ist und an der Basis des Verstärker-Transistors das Ausgangssignal des inneren Regelkreises (RR) anliegt und wobei die Sekundärwicklung (L15) des Verstärker-Übertragers im Basiskreis des Schalttransistors (V15) liegt.
2. Gleichstromumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sogenannten kalten, von Hochfrequenzpotential freien Enden der beiden Wicklungen (L14, L15) des Verstärker-Übertragers (T1) jeweils gleich gepolt sind, und daß dieser Verstärker-Übertrager (T1) einen derartigen Luftspalt besitzt, daß er die Energie für die Basisansteuerung des Schalttransistors (V15) Zwischenspeichern kann.

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3. Gleichstromumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des Verstärker-Übertragers (T1) so klein gewählt ist, daß jeweils während einer Schaltperiode des Verstärker-Transistors (V14) eine wesentliche Änderung des durch die Sekundärwicklung fließenden Stromes erzwungen wird.
4. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kollektorkreis des Verstärker-Transistors (V14) liegenden Primärwicklung (L14) des Verstärker-Übertragers (T1) ein Transistor (V13) vorgeschaltet ist, dessen Basis vom Ausgang eines Operationsverstärkers (D1) in Abhängigkeit von der Ausgangs spannung durchgesteuert wird.
5. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwicklung (L14) des Verstärker-Übertragers (T1) eine Diode (V7) vorgeschaltet ist.
6. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitterkreis des Verstärker-Transistors (V14) eine weitere Diode (V8) vorgesehen ist.
7. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Primärwicklung (L14) des Verstärker-Übertragers (T1) ein RC-Glied (R17, C5) vorgesehen ist.
8. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Schaltverstärker (SV) ein Speicherkondensator (C4) vorgesehen ist.
9. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Sekundärwicklung (L15) des Verstärker-Übertragers (T1) ein Widerstand (R19) vorgesehen ist.

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10. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber (TG) vorgesehen ist, der bein' Anlauf des Umrichters dem Ist-Wert-Eingang des inneren Regelkreises (D3) kurze Impulse zuführt.
11. Gleichstromumrichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel, vorzugsweise eine parallel zum Taktgeber geschaltete Diode (V4),vorgesehen sind, die im normalen Schaltbetrieb des Schalttransistors (VIA-) den Taktgeber (TG) sperren.
12. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des äußeren und des inneren Regelkreises (SR,RR) über eine Hilfswicklung (L13) des Umrichter-Übertragers (T2) erfolgt.
13. Gleichstromumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärker (D1, D2,D3) des äußeren Regelkreises (SR), des inneren Regelkreises (RR), sowie des Taktgebers (TG) durch eine parallel geschaltete Zenerdiode (Y1) vor überspannung geschützt sind.

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