DE2937866C3

DE2937866C3 - Kollektorloser Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2937866C3
Application number: DE2937866A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. 8500 Nuernberg Kuehnlein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-09-19
Filing date: 1979-09-19
Publication date: 1988-07-07
Also published as: DE2937866A1; US4392094A; JPS623676B2; DE2937866B2; JPS5653595A

Description

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Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1; ein derartiger kollektorloser Gleichstrommotor ist aus der Druckschrift »Elektrische Ausrüstung«, 1972,Nr. !,Seiten 21 bis 23, insbesondere Bild 1, bekannt.

Bei der im bekannten Fall vorgesehenen sogenannten 180°-Schaltung führt jede einzelne Wicklung eines zweisträngigen Motors mit um 90° gegeneinander versetzten Strängen jeweils für einen Drehwinkelbereich von 180° des Rotors elektrischen Strem. Jede dei Wicklungen ist durch einen jeweils in Serie angeordneten Transistor bestrombar. Die Ansteuerung jeweils eines Transistorpaares, das um 180° versetzten Wicklungen zugeordnet ist, erfolgt" durch Steuersignale, die einem als galvanomagnetischer Wandler eingesetzten Hallgenerator entnommen sind. Die beiden benötigten Hallgeneratoren sind um 90° gegeneinander versetzt Da die Ausgangssignale der Hallgeneratoren in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors Sinusform aufweisen, werden die einzelnen Transistoren im analogen Bereich betrieben, und die in den einzelnen Wicklungen demzufolge entstehenden Ströme sollten damit annähernd Sinushalbwellenform aufweisen. Diese 180°-Schaltung erfordert lediglich ein Minimum an elektronischen Bauelementen und sollte - rein theoretisch - eine verschwindende Drehmomentwelligkeit aufweisen. Aufgrund der mathematischen Betrachtung für das Drehmoment D ergibt sich:

D ~ /&ldquor;,&ldquor; - sin²?» + I_{Wn +} 2 · cos²?»

Hierbei sind mit I_w&ldquor; und l_w&ldquor; + ₂ die Ströme in zwei räumlich aufeinanderfolgenden Wicklungen bezeichnet, währfind &phgr; den Drehwinkel des Rotors darstellt. Im Idealfall sind die Ströme I_w&ldquor; und 1_W&ldquor; + ₂ gleich und es treten auch nur Quadrate der kompletten trigonometrischen Funktionen auf, so daß die Konstanz des Drehmoments unabhängig vom Drehwinkel klar ersichtlich ist. In der Praxis war dies jedoch nicht erreichbar, da die Transistoren des elektronischen Kommutators unterschiedliche Schwellwerte und Stromverstärkungen aufweisen und auch die Hallgeneratoren in Empfindlichkeit und Nullspannung schwanken. Bei realisierten Anwendungsfällen der 180°-Schaltung wurden daher Drehrnomentwelligkeiten bis zu 50% beobachtet.

Ferner ist aus der DE-AS 24 14 336 ein kollektorloser Gleichstrommotor mit einer Ständerwicklung bekannt, die aus drei um 120° gegeneinander versetzten Wicklungen besteht, wobei jede Wicklung über einen Leistungstransi ;tor mit einer sinusteilhalbwellenförmigen Spannung versorgt wird. Jeder Leistungstransistor wird durch einen Steuertransistor ausgesteuert, der seinerseits in Abhängigkeit jeweils eines Hallgenerators aufgesteuert wird. Dieser Gleichstrommotor ist mit einer eigenisn, aufwendigen Einrichtung zur Erfassung von durch die Wellenform der Ströme in den Wicklungen verursachten Drehmomentschwankungen sowie einer Dretaahlregelung ausgestattet. Darüber hinaus ist ein Differenzverstärker vorgesehen, dessen einem Eingang ein der Drehzahlabweichung proportionales Steuersignal und dessen zweiten Eingang eine der Drehmomenti.chwankung entsprechende Korrekturspannung zugeführt ist, wobei die Ströme in den Wicklungen in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Differenzverstärkers verändert werden. Dieser Gleichstrommotor erfordert eine aufwendige Elektronik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen koilektoilosen Gleichstrommotor der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß eine genaue Kommutierung und damit eine verbesserte Drehmomentenkonstanz erreicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Be &igr; dem aus der DE-OS 23 63 632 bekannten kollektorlosen Gleichstrommotor schließt bereits die Rechtecklbrm der Stromblöcke in den Wicklungen eine sehr hohe Konstanz des Drehmomentes aus. Bei dem aus der eingangs erwähnten Druckschrift »Elektrische Ausrüstung«, 1972, Nr. 1, Seite 21 bis 23 bekannten kollektorlosen Gleichstrommotor haben die Transistoren eine Doppelfunktion: Einerseits übernehmen sie die Einschaltung der Ströme für die einzelnen Wicklungen, andererseits steuern sie in Abhängigkeit von den von den Hallgeneratoren gelieferten Steuersignalen über einen Drehwinkel von 180° den Strom derart, daß er annähernd sinushalbwellenformig ist. Das prinzipiell überlegene Konzept, die Ströme in den Wicklungen sinushalbwellenformig zu steuern, das bislang aufgrund der Abweichungen in den Eigenschaften der eingesetzten Bauelemente nur unvollkommen realisiert werden konnte, wird bei der Erfindung beibehalten, j :doch wird die schaltungstechnische Realisierung verbessert. Die bekannte Doppelfunktion der Transistoren wird aufgegeben. Wahrend die in Serie zu den einzelnen Wicklungen angeordneten Halbleiterschalter lediglich Schaltfunktion Tür den Strom in den Wicklungen aufweisen, wobei sie exakt in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Steuersignale, das heißt bei einem sehr exakt feststellbaren Vorzeichenwechsel derselben, einschaltbar sind, erfolgt die Formgebung der Ströme als Sinushalbwellen in den einzelnen Wicklungen durch die die Steuertransistoren, deren Strom proportional zum Betrag des Momentanwertes des Steuersignals des zugehörigen galvanomagnetischen Wandlers gesteuert ist. Dabei wird für jeweils zwei um 180° el. versetzte Wicklungen nur ein Steuertransistor benötigt. Dies ist deswegen möglich, da die beiden um 180° el. versetzten Wicklungen immer nur alternierend, das heißt nie gleichzeitig zu bestromen sind. Solche Steuertransistoren sind sehr exakt steuerbar. Damit sind auch die durch die Steuertransistoren gesteuerten Ströme in ihrer Form exakt sinushalbwellenformig, so daß in sehr guter Näherung die aus der eingangs erwähnten mathematischen Betrachtung hervorgehende Formel erfüllt ist und eine sehr geringe Drehmomentwelligkeit erreicht wird. Bei praktischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde lediglich noch eine Drehmomentwelligkeit von 5% ermittelt.

Es ist vorteilhaft, wenn als galvanomagnetische Wandler Hallgeneratoren eingesetzt sind. Hallgeneratoren weisen eine hohe Funktionssicherheit auf und sind im Handel kostengünstig verfügbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels in den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte räumliche Darstellung des kollektorlosen Gleichstrommotors,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des kollektorlosen Gleichstrommotors und

Fig. 3 die bei Betrieb des Gleichstrommotors auftre-Luftspalt angeordnet sind. Die Wicklungen Wl und Wl sind um 180° el. gegeneinander versetzt. Dies gilt analog für die Ständerwicklungen Wi und WA. Jedes dieser Wicklungspaare Wl, Wl und Wi, WH stellt einen Strang mit einer magnetischen Achse dar und kann als bifilare Wicklung hergestellt sein, wodurch eine hohe Symmetrie erreichbar ist. Die Wicklungen Wl bis WA siad einseitig zu einem Sternpunkt zusammengefaßt, der mit der positiven Betriebsspannung +£/&ldquor; der Gleichspannungsquelle gespeist ist. Der dem Sternpunkt abgewandte Anschluß der Wicklungen Wl bis WA ist jeweils mit dem einen Anschluß der Schaltstrecke der als Halbleiterschalter eingesetzten Schalttransistoren Tl bis TA verbunden. Die Transistoren Tl is bis T4 dienen der Einschaltung der von den hier nicht dargestellten Steuertransistoren gelieferten Ströme /&ldquor;,, bis I_m.

Die Einschaltung der Schalttransistoren Tl bis TA erfolgt in Abhängigkeit vom Vorzeichen der von den als galvanomagnetische Wandler eingesetzten Hallgeneratoren Hl und //2, die die Stellung des Rotors zu den Wicklungen unmittelbar erfassen. Die Hallgeneratoren Hl und Hl liegen, räumlich um 90° gegeneinander versetzt, im Luftspalt des Gleichstrommotors und werden vom Rotorfluß durchsetzt. Die von ihnen gelieferten Steuersignale sind dem Produkt aus Steuerstrom und Induktion proportional. Bei konstantem Steuerstrom gibt die Höhe und Polarität der als Steuersignale dienenden Hallspannungen die Stellung des Rotors wieder, unabhängig von der Drehgeschwindigkeit. Im vorliegenden Fall ist der Hallgenerator Hl in axialer Verlängerung der Wicklungsachse der Wicklung Wl, der Hallgenerator Hl in axialer Verlängerung der Wicklungsachse der Wicklung WA angeordnet.
Anstelle der Schalttransistoren Tl bis TA können auch Thyristoren eingesetzt werden. Allerdings ist dann durch bekannte Löschschaltungen dafür zu sorgen, daß die Thyristoren zeitgerecht gelöscht werden.

In dem in Fig. 2 dargestellten Schaltbild liegt die positive Speisespannung +U_B an der Leitung 2. Die Wicklungen Wl, Wl, W3und HM sind an die Leitung 2 angeschlossen und somit zu einem Sternpunkt zusammengefaßt. In Reihenschaltung zu den Wicklungen Wl bis WA ist jeweils ein Schalttransistor Tl bis TA angeordnet. Hierbei sind die Kollektoranschlüsse der Transistoren 7*1 bis TA an den der Leitung 2 abgewandten Anschluß der Wicklungen Wl bis WA angeschlossen. Die Emitteranschlüsse der jeweils um 180° gegeneinander versetzten Wicklungen zugeordneten Schalttransistoren, also der Transistor &Ggr;1 und Tl sowie der Transistoren T3 und TA sind jeweils in einem Verbindungspunkt Vl bzw. Vl zusammengeführt. Zwischen jedem der Verbindungspunkte Vl und Vl sowie dem Bezugspotential 0 bzw. der negativen Speisespannung - U&bgr; ist ein Steuertransistor TS bzw. T6 eingefügt. Jeder der Steuertransistoren bewirkt einen eingeprägten Strom, der alternierend in den Wicklungen Wl und Wl bzw. Wi und WA fließt. Diese eingeprägten Ströme sind mit den Bezugszeichen 1_W\ bis l_Wi, bezeichnet. Der

tcndcn Ströme und Spannungen in Abhängigkeit von 60 durch die Steuerirar.sistcrer. fließende eingeprägte

dem die Stellung des Rotors beschreibenden Winkel &phgr;. In Fig. 1 ist als permanentmagnetischer Rotor ein diametral magnetisierter zylindrischer Dauermagnet mit hoher magnetischer Koerzitivfeldstärke und Induktion eingesetzt und mit dem Bezugszeichen 1 belegt. Die Ständerwicklung besteht aus vier jeweils um 90° versetzten Wicklungen W\ bis WA, die feststehend auf einem - hier nicht dargestellten - Wicklungsträger im Strom ist nicht konstant, sondern entspricht in seiner Form dem Signalverlauf des an den Steuereingängen Cl bzw. Cl der Steuertransistoren anstehenden Signals. Zur rotorstellungsabhängigen Schaltung und Steuerung der in den Wicklungen Wl bis WA fließenden Ströme &iacgr;_{&EEgr;&Iacgr;} bis /_M4 sind die beiden Hallgeneratoren Hl und Hl als galvanomagnetische Wandler eingesetzt. Die einen Steuerstromanschlüsse der Hallgeneratoren

Hl und Hl sind über variable Widerstände R1 und R 1 mit der Leitung 2 verbunden. Diese Widerstände R1 und Rl dienen der Erzeugung eines eingeprägten Steuerstromes. Die anderen Steuerstromanschlüsse der Hallgeneratoren HX und Hl sind in einem Verbin- s dungspunkt V3 zusammengeführt und über einen weiteren Widerstand &Lgr; 3 mit dem Bezugspotential 0 bzw. der negativen Speisespannung - U_B verbunden. Durch den gemeinsamen Widerstand R3 wird ein festes Bezugspotential für die anderen Steuerstromanschlüsse &iacgr;&ogr; der Hallgeneratoren H\ und Hl geschaffen. Um sicherzustellen, daß der Steuerstrom in beiden Hallgeneratoren Hl und Hl immer gleich ist, können die Hallgeneratoren Hl und Hl auch in Serie geschaltet sein.

An den Hallspannungsanschlüssen der Hallgeneratoren Hl und Hl sind die als Steuersignale dienenden Hallspannungen Ul und Ul abgegriffen. Die Hallspannungen Ul und Ul sind jeweils einem Melder 51 und Sl zugeführt, von denen jeder zwei antivalente Ausgänge, d. h. Ausgänge mit komplementärem Signal, aufweist. Die Ausgangssignale U_su U_S\, U_S2, U_S2 der Melder 51 und Sl stehen an den Basisanschlüssen der Schalttransistoren Tl bis TA an. Die Melder 51 und 52 arbeiten derart, daß sie bei jedem Vorzeichenwechsel des Eingangssignals den Zustand ihrer komplementären Ausgangssignale ändern und diesen neuen Zustand beibehalten, bis ein erneuter Vorzeichenwechsel oder Nulldurchgang des Eingangssignals auftritt. Damit werden die Schalttransistoren 7&Iacgr; und Tl durch antivalente Signale durchlässig gesteuert, so daß die Transistoren Tl und Tl alternierend eingeschaltet sind. Das gleiche gilt für die Transistoren &Ggr;3 und TA. Damit haben die Transistoren Tl bis TA im Gegensatz zur Funktion der aus dem Stand der Technik bekannten Transistoren nur noch reine Schaltfunktion. Die Steuerung des zeitlichen Verlaufs der Ströme /&ldquor;,, und l_w2 erfolgt durch den Steuertransistor TS, die der Ströme I_wi und I_K,_A durch den Steuertransistor T6.

Die als Steuersignale dienenden Hallspannungen Ul und Ul der beiden Hallgeneratoren Hl und Hl sind jeweils einem bekannten schwellwertfreien Gleichrichter Gl bzw. Gl zugeführt. Diese schwellwertfreien Gleichrichter Gl und Gl steilen ausgangsseitig die Signale i/_cl und Uei zur Verfügung, die aus einer Aneinanderreihung von Sinushalbwellen gleicher PoIarität bestehen. Die Ausgangssignale U_G\ und i/_G2 stehen an den Steuereingängen der Steuertransistoren TS und Td an, so daß diese Steuertransistoren 7"5 und &Ggr;6 jeweils mit dem Betrag des Momentanwerts der Steuersignale i/l und Ul gesteuert sind. Damit sind unter dem Einfluß der Steuertransistoren die in den einzelnen Wicklungen Wl bis WA fließenden Ströme l_wx bis I_WA proportional zum Betrag des Sinus des Winkels zwischen dem Rotorfluß und dem Fluß in den Wicklungen gesteuert Durch die Melder 51 und 52 ist je nach dem Vorzeichen der Hallspannungen i/l und Ul abwechselnd die Schalttransistoren 7&Iacgr; und &Ggr;3 bzw. Tl und T4 durchgeschaltet.

Bei den im Proportionalbereich betriebenen Steuertransistorenr5 und T6 ist die Steuerstrecke jeweils über einen Widerstand A4 bzw. R5 zwischen den Verbindungspunkten Vl bzw. Vl und dem Bezugspotential 0 bzw. der negativen Speisespannung - U_B geschaltet Anstelle des Steuertransistors T5 bzw. &Ggr;6 ist jedes Steuerelement einsetzbar, dessen Strom in proportionaler Abhängigkeit von der Amplitude eines am Steuereingang anstehenden Signals gesteuert wird.

Als Schalttransistoren Tl bis TA bzw. Steuertransistoren TS und 7"6 sind im Ausführungsbeispiel npn-Transistoren eingesetzt. Es ist klar, daß statt dessen auch pnp-Transistoren einsetzbar sind, wofür lediglich Anschlüsse der Schalt- bzw. Steuerstrecke sowie die steuernden Signalpegel umgekehrt werden müssen.

Die einen Steuerstromanschlüsse der Hallgeneratoren Hl und Hl sind im Ausführungsbeispiel über die Widerstände Rl bzw. &Lgr;2 an die positive Speisespannung +Ug gelegt. Diese Steuerstromanschlüsse können - wie aus dem Stand der Technik bekannt ist auch durch eine eigene Regelschaltung gespeist sein.

In Fi g. 3 sind in den untereinanderliegenden Zeilen a bis / die in dem in Fi g. 2 dargestellten Schaltbild auftretenden Spannungen und Ströme wiedergegeben. In den Zeilen &agr; und b sind die Differenzen der Hallspannungen Ul bzw. Ul der Hallspannungsgeneratoren Hl bzw. Hl aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß für jeweils eine elektrische Halbdrehung des Rotors, also jeweils nach 180° el., ein Polaritätswechsel des Hallspannungssignals auftritt. Darüber hinaus eilt das Hallspannungssignal Ul des Hallgenerators Hl gegenüber dem Hallspannungssignal Ul um 90° in der Phase vor. Dies ist durch die räumliche Versetzung der beiden Hallgeneratoren Hl und Hl relativ zueinander bedingt.

In den Zeilen c bis/sind die Ausgangssignale t/_sl,

~ÜT\, Us2, ~Üs2 ^der Meider 51 und 52 dargestellt. Es ist klar ersichtlich, daß die den um 180° relativ zueinander versetzten Wicklungen Wl und Wl zugeordneten Signale U_S\ und t/^_antivalent sind. Dasselbe gilt Tür die SSignale U_s2 und U_sl. Durch diese Signale (Z₅₁, Usu U_S2, TT^₂ mit hoher Flankensteilheit wird eine zeitlich exakt mit dem Nulldurchgang der zugehörigen Hallspannungen Ul und Ul synchronisierte Ein- und Ausschaltung der Schalttransistoren Tl bis TA sichergestellt. Damit sind die beim Stand der Technik auftretenden, durch unterschiedliche Schwellwerte der eingesetzten Transistoren und unterschiedliche Empfindlichkeiten der Hallgeneratoren hervorgerufenen Schwierigkeiten zuverlässig beseitigt.

In den Zeilen g und h sind die Ausgangssignale U_C\ und U_C2 der schwell wertfreien Gleichrichter G1 und G2 dargestellt. Aufgrund der schwellwertfreien Gleichrichtung stehen damit einwandfreie sinushalbwellenförmige Signale zur Steuerung der Steuertransistoren 7"5, 7"6 zur Verfügung. Ein Einfluß unterschiedlicher Schwellwerte der Transistoren und unterschiedlicher Empfindlichkeiten der Hallgeneratoren - wie beim Stand der Technik - scheidet somit aus. Diese Signale i/_cl und U_G2 dienen zur exakten Vorgabe sinushalbwellenförmiger Ströme durch die Steuertransistoren &Ggr;5, &Ggr;6, wobei die vorgegebenen Ströme .'urch das einwandfrei gesteuerte Schaltverhalten der Schalttransistoren Tl bis TA sukzessiv auf die Wicklungen Wl bis WA des kollektorlosen Gleichstrommotors verteilt werden. Diese exakte zeitliche Verteilung von bezüglich ihrer Form einwandfreien Stromhalb well en auf die Wicklungsstränge Wl bis WA begründet die eklatante Reduktion der Drehmomentwelligkeit des erfindungsgemäß kollektorlosen Gleichstrommotors im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten. Bei dem erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotor haben unterschiedliche Schwellwerte der eingesetzten Transistoren und Unterschiede in ihrer Stromverstärkung nahezu keinen Einfluß mehr auf Form und Einschaltzeitpunkt der WickTungsstrome /&ldquor;,, bis I_WA. Auch unterschiedliche Widerstände der Wicklungen Wl bis WA führen zu keiner Beeinträchtigung des Drehmomentverlaufes mehr, da durch die über die Steuertransi-

stören T5, T6 erzeugte Stromeinprägung Stromunterschiede
in den Wicklungen ausgeregelt werden. ; j

&iacgr;^!

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen , "'

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Claims

Patentansprüche:

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor, der auf seinem Umfang abwechselnd entgegengesetzte Pole aufweist, mit einer Ständerwicklung, in deren einzelnen Wicklungen bei sich drehendem Rotor Spannungen induziert werden, deren Phasenlage zyklisch jeweils um 90° el. gegeneinander versetzt sind, mit zwei um 90° el. gegeneinander versetzten, vom Rotorfuß durchsetzten galvanomagnetischen Wandlern zur Gewinnung rotorstellungsabhängiger, jeweils über eine elektrische Halbdrehung des Rotors (180° el.) andauernder sinusförmiger Steuersignale und mit den Wicklungen jeweils in Reihe geschalteten steuerbaren Halbleitern, die in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Steuersignale für eine elektrische Halbdrehung des Rotors (180° el.) einschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes derSteuersignale (Ul; Ul) einem deren Vorzeichen erfassenden Melder (51; 52) zugeführt ist und daß die an den antivalenten Ausgängen des Melders anstehenden Signale (U_s], T7J[; U_S2, Vs₂) den Steuereingängen der zugehörigen, als Schalter betriebenen, steuerbaren Halbleiter (Schalttransistoren Tl, Tl; 7*3, 7*4) zugeführt sind, daß die Schaltstrecken der steuerbaren Halbleiter (Schalttransistoren Tl, Tl; 7*3, TA), die jeweils zwei um 180° el. gegeneinander versetzten Wicklungen eines Stranges zugeordnet sind, auf der den Wicklungen abgewandten Seite miteinander verbunden sind und der Verbindungspunkt (Kl; Vl) jeweils über die Steuerstrecke eines im analogen Bereich betriebenen weiteren steuerbaren Halbleiters (Steuertrarisistor &Ggr;5; T6) und einen Widerstand (&Lgr;4; R S) an dem nicht unmittelbar mit den Wicklungen verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, wobei dem Steuereingang (Cl; Cl) des weiteren steuerbaren Halbleiters (Steuertransistor 7*5; 7*6) der Betrag (t/_c,; U_c2) des Steuersignals (i/l; Ul) des jeweiligen galvanomagnetischen Wandlers (Wl; Hl) zugeführt ist.

2. Gleichstrommotor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als galvanomagniiischer Wandler (Hl, Hl) Hallgeneratoren eingesetzt sind.

3. Gleichstrommotor nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betragsbildung jedes der beiden Steuersignale (i/l; Ul) der galvanomagnetischen Wandler (Hl; Hl) einem schwellwertfreien Gleichrichter (Cl; Gl) zugeführt ist.

4. Gleichstrommotor nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuertransistor jeweils ein Transistor (7*5; T6) dient, dessen Basisanschluß den Steuereingang bildet.