DE2847765A1 - Schaltungsanordnung zum schutz eines antriebsmotors vor ueberlastung, insbesondere fuer ein zahnaerztliches arbeitsgeraet - Google Patents

Schaltungsanordnung zum schutz eines antriebsmotors vor ueberlastung, insbesondere fuer ein zahnaerztliches arbeitsgeraet

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DE2847765A1 DE19782847765 DE2847765A DE2847765A1 DE 2847765 A1 DE2847765 A1 DE 2847765A1 DE 19782847765 DE19782847765 DE 19782847765 DE 2847765 A DE2847765 A DE 2847765A DE 2847765 A1 DE2847765 A1 DE 2847765A1
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Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH _|i- D-COOO MDNCHEN
Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN nntnnrc Steinsdorfstraße
Dr.rer.nat. W. KÖRBER 2847/65 'S* «»» '29 66
Dipl.-I η g. J. SCHMIDT-EVERS
PATENTANWÄLTE 3^ Noyember ^978
SE/lö
6/1229
Kaltenbach & Voigt GmbH & Co.
Bismarckring 39
Biberach/Riß
Schaltungsanordnung zum Schutz eines Antriebsmotors vor Überlastung, insbesondere für ein zahnärztliches Arbeitsgerät .
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Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Dr. rer. not. W. KÖRBER
Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS
PATENTANWÄLTE
D-8000 MÜNCHEN 22 Steinsdorfstraße 10 f? (089) * 29 66 84
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Antriebsmotors vor Überlastung, insbesondere für ein zahnärztliches Arbeitsgerät, unter Verwendung einer Meßschaltung, die bei Ermittelung eines einen festlegbaren Schwellwert überschreitenden und einen Motor-Überlastungsstrom darstellenden Motorstromes ein die Speisung des Motors unterbrechendes Ausgangssignal abgibt.
Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors, insbesondere für zahnärztliche Handgeräte, bekannt (DT-OS 26 22 656). Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist ein eine Sollwertspannung liefernder Sollwertgeber vorgesehen, der seine Sollwertspannung einem Komparator zuführt, in welchem diese Sollwertspannung mit der als Istwertspannung dienenden Ankerspannung des Motors verglichen wird. Der Komparator bildet aus den ihm eingangsseitig zugeführten Spannungen eine Regelspannung, die einem im AnkerStromkreis des Motors liegenden Stellglied zugeführt wird. Darüber hinaus wird bei der bekannten Schaltungsanordnung der Sollwertspannung eine dem Motorstrom entsprechende Korrekturspannung aufaddiert. Mit Hilfe dieser bekannten Schaltungsanordnung gelingt es, mit relativ hohem Wirkungsgrad schwankende Lastsoinente das Motors durch entsprechende Drehmomente zu kompensieren. Dies bedeutet, daß bei starker Belastung des Motors diesem ein entsprechend hoher Strom für die Ausübung eines erhöhten Drehmoments zugeführt wird.
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Obwohl die vorstehend betrachtete bekannte Schaltungsanordnung weitgehend zufriedenstellend arbeitet, zeigt sich jedoch zuweilen, daß es bei sehr starker Überlastung des verwendeten Motors, z.B. bis zum Blockieren des von dem betreffenden Motor angetriebenen Arbeitsgerätes bzw. zahnärztlichen Handstücks, zu einer sehr starken Motorerwärmung kommt, die schädliche Auswirkungen für den Motor haben kann. Überdies überträgt sich eine solche Erwärmung gegebenenfalls auch auf Werkzeuge, die von dem jeweiligen-Motor anzutreiben sind und die normalerweise relativ kühl gehalten werden müssen. Dies trifft insbesondere für zahnärztliche Werkzeuge, wie Bohrer, zu. '
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie mit relativ geringem schaltungstechnischen Aufwand eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Antriebsmotors vor Überlastung auszubilden ist.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die MeßüChaltung einen Speicherkreis mit einem Speicherelement enthält, welches mit jeder Ermittelung eines Motor-Überlastungsstromes aufladbar und während der Zeitspanne zwischen der aufeinanderfolgenden Ermittelung ' von jeweils gesondert auftretenden Motor-Überlastungsströmen wieder entladbar ist, und daß mit dem Speicherelement eine Auswerteeinrichtung verbunden ist, die erst bei einen vorgegebenen Auslöseschwellwert überschreitender Spannung an dem genannten Speicherelement ein den Motor stillsetzendes Ausgangssignal abgibt.
Die Si-findung bringt den Vorteil mit sich, daß mit relativ geringem schaltungstechnischen Aufwand ein Antriebsmotor, wie er insbesondere für ein zahnärztliches Arbeitsgerät, z.B. eine Bohrmaschine, verwendet wird, vor überlastung geschützt werden kann. Dabei führt nicht jede kurzzeitige Überlastung des Antriebsmotors dazu, daß dieser Motor stillgesetzt wird.
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Vielmehr führen kurzzeitig auftretende Motorüberlastungen erst dann zum Stillsetzen des Motors, wenn diese Überlastungen über die jeweils betrachtete Zeitspanne einer gefährlichen Überlastung des Motors entsprechen. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die kurzzeitigen Überlastungen des Motors gewissermaßen gespeichert werden, um bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts dann den MotorStromkreis zu unterbrechen.
Zweckmäßigerweise ist der genannte Speicherkreis so bemessen, daß seine Ladezeitkonstante kleiner ist als seine Entladezeitkonstante. Vorzugsweise wird die Entladezeitkonstante des betreffenden Speicherkreises sogar viel größer gewählt als die Ladezeitkonstante. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auch mehrere kurzzeitige Überlastungen des Motors noch für einige Zeit gespeichert werden können und gegebenenfalls zum Stillsetzen des Motors führen.
Der jeweilige Motorstrom wird vorzugsweise anhand einer Meßspannung bestimmt, die an einem in Reihe zu dem Motor liegenden Meßwiderstand abnehmbar ist. Mit diesem Meßwiderstand und einer Bezugsspannungsquelle ist ein erster Vergleicher verbunden, der ausgangsseitig über einen Widerstand mit einem Speicherkondensator verbunden ist. Ein zweiter Vergleicher ist mit einem Eingang über einen Widerstand mit dem Speicherkondensator und mit einem weiteren Eingang an einer gesonderten Bezugsspannungsquelle angeschlossen. Dieser zweite: Vergleicher ist ausgangsseitig mit einem im Motorstromkreis liegenden Schaltelement verbunden. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Schaltungsaufbau für die Ansteuerung des Speicherkreises und des Motors.
Zweckmäßigerweise liegt in dem Ladekreis des Speicherkondensators eine lediglich für einen Ladestrom in Durchlaßrichtung gepolte Diode. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auf relativ einfache Weise sichergestellt ist, daß eine vom Ausgang des ersten Vergleichers auf den genannten Speicher-
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kondensator aufgebrachte Ladung nicht im Ausgangskreis dieses ersten Vergleichers abgeleitet wird.
Die beiden Vergleicher sind vorzugsweise jeweils durch einen Operationsverstärker gebildet. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Schaltungsaufbau.
Vorzugsweise weist der den zweiten Vergleicher bildende Operationsverstärker eine Mitkoppelungsschaltung auf. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß dieser Operationsverstärker in einem bestimmten Zustand -festgehalten werden kann, in den er durch eine an dem genannten Speicherkondensator liegende und einen vorgegebenen Bezugsschwellwert übersteigende. Spannung gebracht worden ist, um damit den Motor stillzusetzen.
Das bereits erwähnte Schaltelement ist zweckmäßigerweise durch einen Transistor gebildet, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in dem Motorstromkreis liegt und dessen Basis durch vom Ausgang des zweiten Vergleichers abgebbare Ausgangssignale steuerbar ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß mit besonders geringem schaltungstechnischen Aufwand der Motorstromkreis steuerbar ist.
Die Basis des genannten Transistors ist zweckmäßigerweise mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers über einen Verstärker verbunden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders einfachen Möglichkeit der Entkoppelung des Transistors von dem den zweiten Vergleicher bildenden Operationsverstärker.
Die Basis des genannten Transistors ist überdies zweckmäßigerweise mit dem Abgriff eines Potentiometers verbunden, an welchem die Ausgangsspannung des Verstärkers auftritt. Diese Maßnahme bringt den Vorteil einer besonders einfachen Möglichkeit der Festlegung des jeweils möglichen Motorstroms mit sich.
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Zweckmäßigerweise ist der genannte Verstärker ein invertierender Verstärker, dessen Ausgang über ein Schalterelement mit dem nichtinvertierenden Eingang des den zweiten Vergleicher bildenden Operationsverstärkers verbunden ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß allein durch Schließen des betreffenden Schalterelements die Schaltungsanordnung wieder gewissermaßen in Betrieb setzbar ist, nachdem der Motor infolge einer entsprechenden Überlastung stillgesetzt worden war.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung umfaßt ein Speisespannungs- oder Netzgerät NG, das im vorliegenden Fall mit einer Wechselspannung Ur\> gespeist wird und das über zwei Leitungen L1, L2 Ausgangsspannungen abgibt, die im vorliegenden Fall Plusspannungen sein mögen. Eine Leitung L3 möge eine Nulleitung sein, die auf Masse-bzw. Erdpotential liegt. Die Leitung L2 mag in bezug auf die Leitung L3 eine Plusspannung von 12V abgeben. Die Leitung;.L1 mag eine demgegenüber höhere Plusspannung führen.
Zwischen den Leitungen L2 und L3 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands R1 und eines Trimmpotentiometers P1. Am gemeinsamen Verbindungspunkt des Widerstands R1 und des Trimmpotentiometers P1 ist ein als erster Vergleicher zu betrachtender Operationsverstärker 0P1 mit seinem invertierenden Eingang (-) angeschlossen. Mit seinem nichtinvertierenden Eingang (+) ist der Operationsverstärker 0P1 über einen Widerstand R2 und einen als Meßwiderstand dienenden Widerstand Rm an der Leitung L3 angeschlossen. Dieser Heüwiderscaiid Rm liegt im Stromkreis eines Motors M, der im vorliegenden Fall ein Gleichstrommotor sein mag. Im Stromkreis des Motors M liegt ferner ein Schaltelement, welches durch einen Transistor T gebildet ist, der im vorliegenden Fall vom npn-Leitfähigkeitstyp ist. Im vorliegenden Fall wird die
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Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors T als Schaltstrecke ausgenutzt. Der Transistor T ist mit seinem Emitter mit dem Motor M verbunden. Mit seinem Kollektor ist der Transistor T mit der Leitung L1 verbunden.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 0P1 ist über die Reihenschaltung eines Widerstands R3, einer Diode D1 und eines Speicherkondensators C1 mit der Leitung L3 verbunden. Der Widerstand R3 dient, wie weiter unten noch ersichtlich werden wird, als Lade.widerstand für den Speicherkondensator C1. Die Diode D1 ist dabei so gepolt, daß sie lediglich für eine positive Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 0P1 in Durchlaßrichtung beansprucht · ist und somit den Kondensator C1 lediglich auf eine positive Spannung aufzuladen gestattet.
An dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Kathode der Diode D1 und der einen Belegung des Kondensators C1 ist über einen Widerstand R4 der nichtinvertierende Eingang (+) eines als zweiter Vergleicher dienenden Operationsverstärkers 0P2 angeschlossen. Dieser Operationsverstärker 0P2 ist mit seinem invertierenden Eingang (-) am gemeinsamen Verbindungspunkt zweier Widerstände R5, R6 angeschlossen, die zwischen den Leitungen L2 und L3 liegen und die dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers 0P2 eine Bezugs- bzw. Schwellwertspannung zuführen.
Der Operationsverstärker 0P2 ist mit seinem Ausgang über eine Mitkoppelungsschaltung mit seinem nichtinvertierenden Eingang (+) verbunden. Diese Mitkoppelungsschaltung umfaßt im vorliegenden Fall die Parallelschaltung eines Widerstands R8 und der Reihenschaltung eines Widerstands R9 und einer Diode D2. Die Diode D2 ist dabei fürvom Ausgang des Operationsverstärkers 0P2 mit positiver Polarität abgegebene Signale in Durchlaßrichtung gepolt. Der Widerstand R8 und der zuvor erwähnte Widerstand R4 stellen für den Speicher-
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kondensator C1 Entladewiderstände dar.
Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist ferner ein weiterer Operationsverstärker 0P3 mit seinem invertierenden Eingang (-) verbunden, und zwar über einen Widerstand R11. Der invertierende Eingang (-) des Operationsverstärkers 0P3 ist über einen Widerstand R10 an der Leitung L2 angeschlossen. Mit seinem nichtinvertierenden Eingang (+) ist der Operationsverstärker 0P3 über einen Widerstand R7 an den gemeinsamen Verbindungspunkt der bereits erwähnten Widerstände R5 und R6 angeschlossen. Außerdem ist der Operationsverstärker 0P3 mit seinem nichtinvertierenden Eingang (+) über einen Speicherkondensator C2 an der Leitung L3 angeschlossen. Dem Speicherkondensator C2 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands R12 und eines Schalterelements S1 parallel. Ferner ist der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers 0P3 mit der Kathode einer Diode D3 verbunden, die mit ihrer Anode am nichtinvertierenden Eingang (+) des bereits erwähnten Operationsverstärkers .0P2 angeschlossen ist.
Der Operationsverstärker 0P3 ist mit seinem Ausgang über ein Potentiometer P2 an der Leitung L3 angeschlossen. Der Schleifer des Potentiometers P2 ist mit der Basis des bereits erwähnten Transistors T verbunden.
Im folgenden sei die Arbeitsweise der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung näher betrachtet. Dazu sei angenommen, daß die Schaltungsanordnung so bemessen bzw. eingestellt sei/ daß der Motor M über den im leitenden Zustand befindlichen Transistor T einen Strom zugeführt erhält. Wenn nun aus irgendeinem Grunde der Motor M einen erhöhten Strom zieht, wird an den Meßwiderstand Rm ein entsprechend höherer Spannungsabfall auftreten, der dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 0P1 zugeführt wird. Dieser Operationsverstärker 0P1 setzt diese Meßspannung mit einer seinem invertierenden Eingang (-) zu-
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geführten Bezugs- bzw. Schwellwertspannung in Beziehung und gibt ausgangsseitig eine der Differenz zwischen den beiden eingangsseitig zugeführten Spannungen entsprechende Ausgangsspannung ab. Mit dieser Ausgangsspannung wird der Speicherkondensator C1 über den Widerstand R3 und die Diode D1 aufgeladen. Die Ladezeitkonstante, die im wesentlichen durch den Widerstandswert des Widerstands R3 und den Kapazitätswert des Speicherkondensators C1 bestimmt wird, wird wesentlich kleiner gewählt als die Entladezeitkonstante, die durch die Kapazität des Kondensators C1 und durch die Widerstandswerte der Widerstände R4 und R8 bestimmt ist. Dies bedeutet, daß aufeinanderfolgend auftretende kurzzeitige Überlastungen des Motors M und damit verbunden kurzzeitig auftretende Meßspannungserhöhungen an den Meßwiderstand Rm dazu führen, daß auf dem Speicherkondensator C1 entsprechende Ladungen akkumuliert werden. Übersteigt die an dem Kondensator C1 liegende Spannung die dem Operationsverstärker 0P2 an seinem invertierenden Eingang (-) zugeführte Spannung, so gibt dieser Operationsverstärker 0P2 von seinem Ausgang ein Ausgangssignal ab, welches über den als invertierenden Verstärker betriebenen Operationsverstärker 0P3 dazu führt, daß der Transistor T - der bisher im leitenden Zustand war - in seinen nichtleitenden Zustand überführt wird. Dadurch ist der Stromkreis des Motors M unterbrochen.
Der zu dieser Unterbrechung des Motorstromkreises führende Zustand wird unter Einschluß des Operationsverstärkers 0P2 festgehalten. Wie oben erläutert, ist der Ausgang des Operationsverstärkers 0P2 mit dessen nichtinvertierenden Eingang (+) über eine Mitkoppelungsschaltung verbunden, die den Widerstand R9 und die Diode D2 umfaßt. Aufgrund des Vorhandenseins dieser Mitkoppelungsschaltung wird der Operationsvers barker 0F2 auf seine einmal erfolgte entsprechende Ansteuerung durch die am Speicherkondensator C1 liegende Spannung weiterhin eine solche Ausgangsspannung abgeben, daß der Transistor T weiterhin im nichtleitenden Zustand verbleibt. Aus diesem Zustand kann die erläuterte Schaltungsan-
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Ordnung dadurch herausgeführt werden, daß kurzzeitig die gesamte Versorgungsspannung abgeschaltet wird. In diesem Fall entlädt sich dann der Kondensator C1, und am nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 0P2 liegt dann wieder eine solche Spannung, daß der Transistor T in den leitenden Zustand überführbar ist. Bei der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung kann diese Wirkung jedoch auch durch Schließen des Schalterelements S1 erreicht werden. In diesem Fall wird nämlich die am nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 0P2 liegende Spannung so weit vermindert, daß der Transistor T wieder in den leitenden Zustand gelangen kann.
Abschließend sei noch angemerkt, daß der Ladekreis und der Entladekreis des Speicherkondensators C1 vorzugsweise so bemessen sein werden, daß die Entladezeitkonstante viel größer ist als die Ladezeitkonstante. Dadurch gelingt es auf besonders einfache Weise, das kurzzeitige Auftreten von mehreren Überlastungen noch als gewissermaßen zulässige Überlastungen zuzulassen, während erst bei Auftreten einer größeren Anzahl von kurzzeitigen Überlastungen der Stromkreis des Motors M unterbx'echbar ist. Mit Hilfe des Trimmpotentiometers P1 ist es dabei möglich, die Schwelle einzustellen, bei deren Überschreiten durch die Meßspannung an dem Meßwiderrstand RM von dem Operationsverstärker 0P1 eine entsprechende Ladespannung an den Kondensator C1 abgegeben wird. Durch Einstellen des Potentiometers P2 ist andererseits die maximal mögliche Drehzahl des Motors M festlegbar. Dies geschieht durch eine entsprechende Steuerung des Transistors T.
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Claims (10)

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines Antriebsmotor
vor Überlastung, insbesondere für ein zahnärztliches Arbeitsgerät, unter Verwendung einer Meßschaltung, die bei Ermittelung eines einen festlegbaren Schwellwert überschreitenden und einen Motor-Überlastungsstrom darstellenden Motorstromes ein die Speisung des Motors unterbrechendes Ausgangssignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (0P1, 0P2) einen Speicherkreis (C1, R3,R4,R8) mit einem Speicherelement (C1) enthält, welches mit jeder Ermittelung eines Motor-Überlastungsstromes aufladbar und während der Zeitspanne zwischen der aufeinanderfolgenden Ermittelung von jeweils gesondert auftretenden Motor-Überlastungsströmen wieder entladbar ist, und daß mit dem Speicherelement (C1) eine Auswerteeinrichtung (0P2) verbunden ist, die erst bei einen vorgegebenen Auslöseschwellwert überschreitender Spannung an dem genannten Speicherelement (C1) ein den Motor (M) stillsetzendes Ausgangssignal abgibt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkreis (C1,R3,R4,R8) so bemessen ist, daß seine Latfezeitkonstante kleiner ist als seine Entladezeitkonstante.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Motorstrom anhand einer Meßspannung bestimmbar ist, die an einem in Reihe zu dem Motor (M) liegenden Meßwiderstand (Rm) abnehmbar ist,
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daß mit dem Meßwiderstand (Rm) land einer Bezugsspannungsquelle (R1,P1) ein erster Vergleicher (0P1) verbunden ist, der ausgangsseitig über einen Widerstand (R3) mit einem Speicherkondensator (C1) verbunden ist, daß ein zweiter Vergleicher (0P2) mit einem Eingang über einen Widerstand (R4) mit dem Speicherkondensator (C1) und mit einem weiteren Eingang an einer gesonderten Bezugsspannungsquelle (R5,R6) angeschlossen ist und daß dieser weitere Vergleicher (0P2) ausgangsseitig mit einem im Motorstromkreis liegenden Schaltelement (T) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ladekreis des Speicherkondensators (C1) eine lediglich für einen Ladestrom in Durchlaßrichtung gepolte Diode (D1) liegt.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicher (0P1, 0P2) jeweils durch einen Operationsverstärker gebildet sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der den zweiten Vergleicher (0P2) bildende Operationsverstärker eine Mitkoppelungsschaltung (R9,D2) aufweist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (T) durch einen Transistor (T) gebildet ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in dem MotorStromkreis liegt und dessen Basis durch vom Ausgang des zweiten Vergleichers (0P2) abgebbare Ausgangssignale steuerbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (T) mit dem Ausgang des zweiten Vergleichers (0P2) über einen Verstärker (0P3) verbunden ist.
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9- Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (T) mit dem Abgriff eines Potentiometers (P2) verbunden ist, an welchem die Ausgangsspannung des Verstärkers (0P3) auftritt.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (0P3) ein invertierender Verstärker ist, dessen Ausgang über ein Schaltelement (S1) mit dem nichtinvertxerenden Eingang (+) des den zweiten Vergleicher bildenden Operationsverstärkers (0P2) verbunden ist.
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