DE1903621A1 - Thyristor-Ansteuerschaltung - Google Patents

Description

DIpI. Ing. G. Koch

S^rJ"» ^Hl^lbaCi 24.1.1969

8 München 2 11 809 - Wg/El

THE EHGIiISH ELECTRIC COMPAHY LIMITED. London. W.O. 2/Enaland Thyristor-Aneteuersohaitung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Thyristor-Torsohaltung (Aneteuersohaltung) und insbesondere auf eine derartige Sohaltung zum gleichzeitigen Ansteuern (Einschalten) einer Anzahl von in einer Seriengruppe miteinander verbundenen Thyristoren, ν

Oenäß der Erfindung weist eine Anatetiareohaltung für einen Thyristor eine bistabile Schaltung und eine Steaervorrichtung auf, die auf ein erstes Signal ansprioht, um die bistabil· Sohaltung in ihren einen Zustand zu Behalten, in welohem sie einen soharfen Anfangsimpuls mit der einen Polarität eum Einschalten des erwähnten Thyristors zusammen mit •iner konstanten Btromauegangsgröße der erwähnten einen Polarität erzeugt, und zwar verbunden mit dem erwähnten Impuls - jedooh mit einem niedrigeren Pegel als dieserum die Toransteuerung am Thyristor aufrechtzuerhalten, und wobei die Steuervorrichtung auf ein zweites Signal anspricht , um die bistabile Schaltung in ihren anderen Zustand eu Bohalten, in welchem sie zur Erzeufung ein·.- konstanten Stromausgangsgröße der entgegengesttaten Polarität betätigbar ist, um die Toransteuerung am Thyristor uaztkehren, ..

Die bistabile Sohaltung kann ein Hu3 tivlbrator sein, der ait ersten und zweiten Konstantstromstufen verbunden ist, um die

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Ausgangsgrößen der einen bzw. anderen Polaritäten zu er» eeugenj diese beiden Stufen sind mit stabilisierten Versorgungen der entsprechenden Polaritäten verbunden, wobei der Multivibrator zum Ansteuern (Treiben) der ersten Konstantstromstufe durch eine "Spitzen"-Sehaltung zur Erzeugung der soharfen Impulse betätigbar ist.

Die Steuervorrichtung kann durch die ersten und zweiten Signale gesondert erregte Impulstransformatoren aufweisen! zusätzlich kann sie mit diesen Impulstransforaato/verbundene photoercpfindliche Elemente enthalten, wobei die ersten und zweiten Signale Liohtetrahlen Bind. Bei derartigen Lichtsignalen, können die Impulstransformatoren weggelassen werden und die photoempfindliohen Elemente werden direkt mit der bistabilen Schaltung verbunden· In Wirklichkeit können Laser-Strahlen das "Licht" seinj die Laserstrahlen können dabei durch faserförmige LlohtfUhrungen geleitet werden.

Sie Erfindung sieht ferner eine Ansteuersohaltung (Torsohaltung) für einen Thyristor vor und weist eine auf ein erstes Eingangssignal ansprechende Treiberschaltung zur Erzeugung eines scharfen Impulseβ von einer Polarität zur Einschaltung des erwähnten Thyristors und eine bistabile Schaltung auf, die infolge des erwähnten ersten Signals den einen Zustand einnimmt und eine konstante Stromausgangsgröße der erwähnten einen Polarität erzeugt und zwar in Verbindung mit dem erwähnten Impuls zur Aufreohterhaltung der Toransteuerung am erwähnten Thyristor, jedoch mit einem niedrigeren Pegel .als dieser Impula, wobei die bistabile Schaltung infolge eines zweiten Eingangssignals ihren anderen Zustand einnimmt und eine konstante Stromausgange-* größe der entgegengesetzten Polarität erzeugt, um die Toransteuerung am Thyristor umzukehren.

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Die Erfindung ist besondere für Thyristor-Brückennetzwerke in V/echselstrom/Gleichstrom-Umformern geeignet, wo eine Anzahl von Thyristoren in jedem Brückenzweig mit einander in einer Seriengruppe mit einer Versorgungsquelle verbunden ist, und alle gleichzeitig eingeschaltet werden sollen; in diesen» Beispiel ist mit jedem Thyristor eine gesonderte Ansteuerechaltung verbunden. Die Leistunjsversorgung für diese Schaltungen kann man zweckmäßigerweioe von einer Teilerkette ableiten, die eine entsprechende Anzahl von Hilfsschaltungen aufweist, die in Serie zur Hauptversorgungsquelle liegen; üqt\ v/o Impulstransformatoren verwendet werden, können ihre Treiberstufen auch durch diese Hilfsschaltungen mit Energie versorgt werden. Im letzteren Fall braucht nur eine Treiberstufe als Ilittelpunktspeisung zur Erregung aller Impulstranaformatoren zur Erzeugung der ersten Eingangssignale verwendet werden, und die andere Anateuerstufe kann zur Erregung aller Impulstransformatoren zur Erzeugung der zweiten Eingangssignal Verwendung finden.

Die Erfindung schafft somit eine Ansteuerschaltung zur Erzeugung einer kontinuierlichen Treibergröße (im folgenden auch Ansteuerung genannt, für die Thyristoren, und zwar im Unterschied zu kurzen einzelnen in früheren Systemen verwendeten Torimpulsen (Anateuerimpulsen); die kontinuierliche Ansteuerung ist wiederkehrend und umfaßt einen schnell ansteigenden hohen Stromimpuls von beispielsweise positiver Polarität, der durch das erste Eingangssignal eingeleitet wird. Darauf folgt ein konstanter positiver Strompegel und schließlich ein konstanter negative!- Strompegel, der durch das zweite Eingangssignal eingeleitet wird. Der schnell ansteigende Impuls dient zum Einschalten der Thyristoren und der darauffolgenden konstante positive Strompegel wird gerade oberhalb dieses Ansteuerpegels gehalten. Der negative Pegel kann empirisch festgelegt werden

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und ist während der Thyristor-Sperrperiode wirksam; dieser Seil des Signals dient zur ttberdeckung irgendwelcher äußeren Signale die andernfalls bestrebt sein könnten, die !Thyristoren einzuschalten; zudem dient der letztgenante Teiles Signals zur Stabilisierung der Thyristor-Sperreigenschaften und zur Verkürzung der Abschaltzeiten.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben eich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigtl

Fig. 1 A und 1 B gemeinsam eine Reihengruppe von Thyristoren, die mit Yersorgungsklemmen verbunden sind und die infolge von Lichtsignalen gleichzeitig eingeschaltet werden sollen;

Pig. 2 eine graphische Darstellung der Ansteuer-Wellenform für die Thyristoren;'

Fig 3 ein ins einzelne gehendes Schaltbild der in Pig. 1A und 1B gezeigten Tor-Steuerschaltungen;

Pig. 4 eine Abwandlung eines Teiles der in Pig. 5 gezeigten Tor-Steuerschaltung;

fig. 5 eine Abwandlung der in den Pig. 1A und 1B gezeigten Schaltung, wobei Liohtaignale direkt an die Torsteuerschaltungen angelegt werden.

Eine Seriengruppe von Thyristoren 1 - vgl» dazu die Pig. 1A und 1B- ist mit ihren zugehörigen d,i/dt -Begrenzungslüduktivitäten 2 mit Versorgungsklemmen j$ und 4 in beispiele-

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weise einem Wechselstrom/Gleichstrom-Umformer verbunden. Parallel zu dieser Seriengruppe ist eine entsprechende Anzahl von Hilfs-Spannungsteilernetzwerken geschaltet, von denen jedes einen Widerstand 7 und einen Kondensator β zusammen mit einem ferückengleiohriohter 9 um eine Qleichatromapannungsversorgung für die mit jedem Thyristor verbundenen Ansteuersohaltungen zu erzeugen. Diese Schaltungen weisen im besonderen ein Hilferversorgungsnetzwerk 11 auf, um sowohl eine Trtiberstufe 12 für die Impulstransformatoren 13,14 zu erregen, als auoh um eine bipolare Spannung (bezüglich der Kathode des Thyristors 1) für die Tor-Bteuerschaltungen 16 zu erzeugen.

Die bipolare Spannung wird von zwei den Gleiohstromausgang des Brüokengleichrichters 9 überbrückenden Zenerdioden 17,18 abgeleitet; der Verbindungspunkt zwisohen diesen Dioden steht direkt mit der Kathode des zugehörigen Thyristors/in Verbindung, während die zugehörigen positiven und negativen Spannungen an die Steuerschaltung angelegt werden. Die beiden Zenerdiodeu 17» 18 sind duroh Speioherkondensatoren 19 bzw. 20 überbrückt; um zu ermöglichen, daß der Kondensator 19 vollständig in das mit dem Endthyristor 1 in der Seriengruppe verbundene Versorgungsnetz werk einspeist (Ladung einbringt), ist In diese Gruppe (Strang) ein zusätzlicher Thyristor 22 eingeführt. Ohne diesen Thyristor 22 würde ein beständiger Bntladungsweg für den Kondensator 19 duroh den Brüokengleiohriohter 9 erzeugt werden.

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Fttr den Thyristor 22 ist ein gesonderter Ansteuerkreis vorgesehen^ dieser Thyristor wird automatisch infolge des Ltitens des anderen Thyristors 1 durch den Durchbruoh der Zenerdiode 25 eingeschaltet, wobei die Zenerspannuag dieser Diode auf einem niedrigerem Pegel liegt als diejenige der Zenerdiode 18, um so z^gewährleisten, daß der Hauptlaststrom nicht abwechselnd direkt duroh das Versorgungsnetzwerk 11 fließt.

12 Sie beiden Treiberstufen/für die Impulstransformatoren 13» 14 elnd - wie oben erwähnt - duroh dieses Versorgungsnetzwerk 11 erregt, und jede weist einen Phototransistor 24 mit darauffolgendem Emitter-Polger 25 auf, um einen Thyristor 26 BU zünden und somit einen Spe lohe rkonde'nsa tor 28 in die Primärwicklungen der entsprechenden Transformatoren 13, 14 zu entladen. Sie Phototransistoren 24 in diesen beiden Stufen werden aufeinanderfolgend lichtgezündetι die Ausgangsgröße des Impulstransformators 13 wird ale "EIN"-Ansteuersignal für die Thyristoren 1 und die Ausgangsgröße des Impulstransformator 14 als ein "AUS"-Signal verwendet.

Diese Impulsausgangsgrößen werden insbesondere in die Aneteuer-Steuerschaltung (Torsteuerschaltung) 16 einge- -speiet, die einen Ausgangsetrom in der in Pig. 2 dargestellten Form erzeugt, d.h. einen anfänglichen Hoohstromimpuls mit schneller Anetlegssseigt, worauf während der leitenden Periode des Thyristors 1 eine konstante positive Strom-Tor-Treibergröße folgt, worauf dann während der. Sperrperiode des Thyristors 1 eine konstante negative Strom-Tor-Treibergröß· folgt·

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Die Tor-Steuerschaltung ist im einzelnen in Pig. 3 dargeetellt. Ein Multivibrator weißt zwei Transistoren 29,30 auf und empfängt sein EIN-Bignal vom Transformator 13 über eine Zenerdiode 31 und sein AUS-Signal vom Transformator 14 über eine Zenerdiode 32. Biese Dioden leiten trat dann, wenn die Spannung an ihren zugehörigen Wider-Btand-Kondensator-Netzwerken 33»34 ihre Zener-Durchbruohspannung übersteigt; somit kann man also durch die Wahl geeigneter Wert· eine Stromschwelle auswählen, die Bioher oberhalb des Pegels irgendwelcher zu erwartender Streuströme liegt. Zusätzlich sind Dioden 35,36,37,38 vorgesehen, um die Einflüsse der ins negative verlaufenden "Rttckstell"-Spannung von den Transformatoren 13»14 zu eliminieren.

Beim Einsetzen der "EIK¹¹ -Periode wird der Eingangsimpuls vom Transformator 13 an den Transistor 29 im Multivibrator angelegt und Behaltet ihn ein; die Ausgangsgröße dieses Transistors sohaltet einen weiteren Transistor 40 ein, dessen Ausgangsgröße seinerseite durch einen Transistor 41 in einen "positiven¹¹ konstanten Stromzustand vor dem Anlegen an die Torelektrode des Thyristors 1 verstärkt wird. Die Grleiohstromansteuerung dleeer Transistoren erfolgt durch die Widerstände 42, 43, dia duroh. eine RC-Reihenschaltung überbrückt sind, um sy dif erwähnte kurze,hohe Eiueohalt-Btromanateuergröße zu ergeben) weitere Spitzenbildung erreloht man durch «ine am Emitterwiderstand 44 des Transistors .4.1 liegende Serien-RO-Schaltung. Wenn der Transistor 29 eingeeohaltet ist, so ist natürlich der andere Transistor 30 im Multivibrator ausgeschaltet.

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Unter dieser Bedingung des "stetigen Zustandes" wird sodann eine kontinuierlich poeitive Tor-Ansteuergröße (Treibergröße) an die Thyristoren über die Konstantstrom-Btufe angelegt, und «11· Thyristoren in der Gruppe werden gleichzeitig durch die anfängliche hohe Stromimpulsspitze gezündet.

In dem Augenblick, wo die Thyristor-Gruppe abgeschaltet (blockiert) wird, was durch die Spannungspolatfität an den Versorgungsklemnien 3 und 4 oder die Kemutierung zu einer anderen Gruppe bestimmt ist, wird ein Eingangsimpuls von Transformator t4 an den Transistor 30 im Multi*- vibrator angelegt, der diesen "einschaltet" und den Transistor 29 ausschaltet· Bei ausgeschaltetem Transistor 29 ist der Transistor 40 ausgeschaltet und damit Transistor 41 In der positiven konstanten Stromstufe, und der Transistor 40 ist definitiv ausgeschaltet, und zwar infolge des Vorsehens einer Zenerdiode 46 und eines Widerstandes 47, die zusammen gewährleisten, daß das Emitterpotential unterhalb dee Pegels der.positiven Versorgungsleitung liegt, auf welches die Basis beim Ausschalten des Transistors 29 angehoben wird; zusätzlich verhindert eine Diode 48, daß die Basis des Transistors 40 über den Pegel dieser Versorgungsleitung ansteigt. Gleichzeitig bewirkt das Schalten dieses letzteren Transistors, daß ein Transistor 50 in einem "negativen" konstanten Strom-Zustand ^NEZNⁿ geschaltet wird, wodurch der negative Strom-<'^llSperr'^f-T*il des Ansteuerlmpulsee (Torimpulses) an den Thyristor 1 angelegt wird.

Der AuBgangsstrom dieeer Tor-Steuer schaltungen kann - wia_tMtt^ in Pig. 2 dargestellt - anfangs auf einen Wert von mehreren/

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ansteigen und dann bei beispielsweise 25OMiIliampdre konstant verbleiben, bevor er ins negative auf einen konstanten Wert von ungefähr 50 Milliampere gebracht wird. Der positiv· Wert ist derart gewählt, daß er gerade oberhalb des zum Zünden aller !Thyristoren erforderlichen Maximums liegt} der negative Wert ist so gewählt, daß er ausreloht, um die Einflüsse irgendweloher Brdstreuströme auf die Sperreigenschaften der Thyristoren zu überdecken« Sie Breite des scharfen Anfangβimpulses kann in der Größenordnung von/Mikrosekunden mit einer Anstiegszeit von nur 0,4 Mikrosekunden liegen, und im gegebenen Beispiel werden die Thyristoren im Hinblick auf ihre Verwendung in einem Dreiphasen-Brüokenumwandler mit einer EIN-Periode für jede Cruppe von annähernd 6,6 Millisekunden während jedes Zyklus eines Wechselstromsysteme mit einer Frequenz von 50Hz betraohtet.

Be sind - ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen -zahlreiche Abänderungen an den beschriebenen Schaltungen möglich} ein Beispiel einer derartigen Abwandlung ist in Fig. 4 dargestellt, wo eine Alternative zur Hoohstromtreibergröße und Multivibrator-Sohaltung 51 dargestellt ist, die in der Tor-Steuersohaltung gemäß Fig. 3 verwendet wurde.

Gkrundeätalioh weist die in Pig· 4 dargestellte Einheit einen Transistor 52 auf, der infolge eines Eingangsimpu&eB vom Transformator 13 eingeschaltet wird; die sich ergebende Ausgangsgröße des Transistors 52 wird direkt an die Torelektrode des Thyristors 1 als ein

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Hoohstromimpuls über einen Widerstand 53 und eine Sperrdiode 54 engelegt. Zur gleichen Zeit wird der Transistor 29 im Multivibrator eingeschaltet und somit der Transistor 30 ausgeschaltet, woduroh bewirkt wird, daß der Transistor 41 in der positiven konstanten Stromstufe (Pig. 3) durch einen Widerstand 56 eingeschaltet wird, wo-durch der konstante Stromimpuls an den Thyristor lyangelegi; wird. Sodann bewirkt ein Eingangsimpuls vom Transformator 14 im geeigneten Augenbliok, daß der Transistor 30 eingeschaltet wird, worauf der Transistor 4^ und auch der Transistor 29 auegeschaltet werden, was das Einschalten des Transistors 50 im negativen konstanten Stromzustand (Fig. 3) zur Folge hat» Demgemäß wird somit ein negativer Impuls an den Thyristor 1 angelegt.

Die tatsächliche Stromtreiberkennlinie dieser modifizierten Schaltung ähnelt der In Fig. 2 gezeigten, jedoch fehlt die exponent!eile Form des anfänglichen hohen positiven Stromimpulses. Während jedoch bei der in Fig. 3 gezeigten Sofeialtung sämtliche "Treiber" - Transistoren für die positive konstante Stromstufe, nämlich die Transistoren 29 und 40, während des Einsatzes des BIN-Zyklua für Thyristor 1 einschalten, und so das Anlegen des Signals vom Impulstransformator 13 direkt an den Multivibrator ermöglichen, ist dies bei der Schaltung gemäß Fig. 4 nicht der Fall, (dtr Transistor 30 ist hier aktiv und wird ausgeschalte^. Infolgedessen muß - wie beschrieben - das Eingänge signal vom Impulstransformator direkt an die gesonderte Hoohstromtrelbersohaltung in Fig. 4 angelegt werden, um so den Einfluß verhältnismäßig langer TranBistorausschaltzeiten auf die anfängliche Anstiegszeit dee Stromtreiberimpulses zu verhindern, wobei .ledooh die Kohärenz oder

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Kontinuität des anfänglichen hohen Stromimpulsee mit den darauffolgenden Konstantstrom-"Abschnitt" hier nicht so Bufriedenstellend sein kann, wie im anderen Ausführung sbei spiel«

Eine weitere abgeänderte Schaltung ist in Pig. 5 g·- eelgt, wo die Impulstraneformatoren weggelassen Bind und die Torsteuereohaltungen 16 direkt liohtaktiTiert werden. Diese Torsteuereohaltungen untersohelden sioh etwas von den oben beschriebenen* in diesen Beispiel erhält der Multivibrator sein "EIN" -Signal von einen liohtakt!vierten Phototransistor 58 und eein AUS-Signal von einem liohtaktivierten Phototransistor 59r wobei diese Phototranslstoret/einanderfolgend gezündet werden« BIe Ausgangswellenform dieser Sohaltung ißt die gleiohe wit die in Fig. 2 dargestellte.

In Betrieb ist der Phototransistor 58 beim Einsetzen der "EIN¹¹-Periode bestrahlt und sohaltet den Transistor 30 ein, so daß ein negatives Signal an die Basis des Transistors 40 angelegt wird, bo dafl dieser ebenfalls ⁿ ·1η^Μ-geschaltet wird. Sie Ausgangsgröße dieses Transistors sohaltet ihrerseits den Transistor 41 ein, der - wie vorher - seinen zugehörigen Transistor 1 In der Berlengruppe einschaltet, wobei der scharfe AnfangsimpulB/uer gleiohen Weise wie unter Bezugnahme auf Pig. 3 beschrieben erzeugt wird·

Wenn der Transistor 30 elngeschaltetwlrd, wird der andere Traneistor 29 im Multivibrator ausgeschaltet, wobei Kondensatoren 61, 62 an den beiden Koppelwiderständen

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in dieser Stufe liegen, um den Wechsel bu beschleunigen, der infolge der sehr kurzen für die Phototransistoren verfügbaren Liohtimpulee erfolgt·

In den Augenblick, wo die Thyristorgruppe abgeschaltet (gesperrt) wird, wird der Phototransistor 59 bestrahlt und schaltet die Transistoren 29 im Multivibrator ein und den Translator 30 aus. Bei ausgeschaltetem Transistor 30 ist der Transistor 40 auegeschaltet und mit diesem der Iran-■istor 41· Zur gleichen Zeit bewirkt das Sohalten dee Traneistore 40, daß der TransiBtor 50 eingeschaltet wird und dme Anlegen des negativen Teile dee Anßteuerimpulses an den Thyrietor«

Patentaneprüoh·ι

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Claims (5)

1. Patentansprüche t

   · Anstauerschaltung für einen Thyristor, g e k e η η -eeiohnet durch Steuervorrichtungen (13*14 oder 5Θ, 59) zur Erzeugung erster und zweiter Singangesignale, tine !Dreiherschaltung (52 bis 54 oder 42 bis 44), betätigbar Bur Erzeugung scharfer Impulse von einer Polarität auf Einschaltung des Thyristors, und eine bistabile Schaltung (29,30), die betätigbar ist, um einen Zustand infolge eines •raten Signals einzunehmen, un eine konstante Stronausgangsgröß· der erwähnten einen Polarität zu erzeugen und zwar la Verbindung nit dem erwähnten Impuls, jedoch von niedrigere» Pegel, und awer zur Auf reohttrhaltung der Toransteuerung am Thyristor, wobei die bistabile Schaltung ferner zur Erzeugung einer konstanten Stromauegangegröfla betätigbar ist, welche entgegengesetzte Polarität aufweist und zur Umkehrung der . loranateuerung am Thyristor dient.
2. 2. Sohaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennieioh-

   Q · t, daß die bistabile Sohaltung ein Multivibrator 29*30 ist, sowie mit ersten und zweiten Konstantstroastufea verbunden 1st, um die erwähnten Ausgangsgrößen dtr einen bzw. , anderen Polarität au erzeugen.
3. 3. Sohaltung naoh Anspruch 2, dadurch gekennaaioha · t, daß die erwähnte Stufe eine stabilisierte Versorgung der entsprechenden Polarität besitzt und einen Schalter (41) aufweist, der durch den Multivibrator betätigbar let und nit dieser stabilisierten Versorgung verbunden 1st·
4. 4. Sohaltung nach Anepruoh 3, daduroh gekennzeichnet, daß die !Treiberschaltung (52, 53» 54) direkt nur auf das erste Eingangssignal anspricht.

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5. 5. Schaltung naoh Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet» dafl die Treiberschaltung durch die bistabile Schaltung gesteuert ist und infolge dieser erwähnten ersten an diese bistabile Schaltung angelegten Eingangssignals betätigbar ist.

   6« Schaltung naoh Ansprach 5, dadurch g β k e η η - zeichnet, dafl die Treiberschaltung RO-Hetzwerke (42, 43» 44) aufweist, die sowohl in die erste Konstantstromstufe selbst als auch zwischen Multivibrator und diese Stufe eingeschaltet sind.

   7« Schaltung naoh einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet» daß die Steuervorrichtungen zur Erzeugung der ersten und streiten. Bingangseignale Impuls transformatoren (13,H) aufweiten, die getrennt infolge von IdohtSignalen erregt werden.

   8· Schaltung naoh einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, <3aS die Steuervorrichtungen but Erzeugung der ersten und zweiten Eingangssignal· photoempfindliche Elemente (58,59) aufweisen, die durch Iiohtsignale erregt werden«

   9· Ansttuerschaltung für mehrere la e&a«r Seriengruppe an einer Spannungsquelle liegenden ΜμμΙstören, gekennzeichnet durch sine Steuerschaltung naoh etoem der Ansprüche 1 bis 8, die gesondert mit jedem B»aflsis*ii» verbunden ist und die gernelnsaa an der erwähnten Quelle liegen, üb Ihre Leistungsversorgung zu erhalten·

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