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Die
Erfindung betrifft eine piezoelektrische Aktoreinheit zum Schalten
von Ventilen im Bergbau, insbesondere zum Schalten von Vorsteuerventilen für die Öl- oder
Wasserhydraulik im untertägigen Bergbau,
mit einem bei Anlegen einer Steuerspannung zum Schalten des Ventils
seine Größe ändernden
Piezoelement gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 oder 3.
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Im
untertägigen
Bergbau werden zum Schalten der in untertägigen Ausbaugestellen eingesetzten,
aus Vor- und Hauptsteuerventilen bestehenden Ventile üblicherweise
Elektromagnetaktoren verwendet. Durch geeignete Schaltungen an den
Elektromagnetaktoren, insbesondere durch eine Schaltung zur Haltestromabsenkung,
kann der Strombedarf der Elektromagnetaktoren begrenzt werden. Eine
begrenzte Stromaufnahme jedes einzelnen Elektromagnetaktors ermöglicht im
untertägigen
Bergbau ein günstiges
Verhältnis
zwischen der zu installierenden elektrischen Leistung und den mit
der installierten Leistung ansteuerbaren Ventilen. Sämtliche
im untertägigen
Bergbau eingesetzten Elektromagnetaktoren sind mit einer Rückstellfeder
versehen, welche z.B. bei Schaltfehlern, bei einem kurzfristigen
Spannungsabfall im Leitungsnetz, bei einem störbedingten Kabelbruch und in
anderen Situationen dafür sorgt,
daß das
Vorsteuerventil und entsprechend auch das nachgeschaltete Hauptsteuerventil
in seine Ausgangsstellung zurückkehrt.
Bei den Ventilen zum Ansteuern der Stempel der untertägigen Ausbaugestelle
entspricht die Ausgangsstellung meist der Schließstellung des Ventils, so daß die Hydraulik- bzw.
Stützstempel
des Ausbaugestells ihre momentane Ausfahrlänge behalten oder sich bewegende Antriebe
stehen bleiben. Im untertägigen
Bergbau wird bezüglich
des selbständigen
Zurückkehrens
der Elektromagnetaktoren in ihre Ausgangsstellung vielfach von einer
Totmannfunktion oder Totmannstellung gesprochen, welche im untertägigen Bergbau aus
Sicherheitsgründen
zwingend bei Aktoren bzw. den mit diesen geschalteten Ventilen gefordert
ist.
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Im
untertägigen
Bergbau bestehen weiterhin erhebliche Bestrebungen, die elektrische
Leistungsaufnahme der Aktoren zum Schalten der Ventile zu reduzieren.
Ein Ansatz hierzu umfaßt
die Verwendung von Piezoaktoren, da diese beim Anlegen einer Steuerspannung
nur den Ladestrom für
die Kapazität des
Piezoelementes aufbrauchen und anschließend unter Verbrauch eines
vernachlässigbaren
Reststroms ihren einmal eingenommenen Schaltzustand, d.h. ihre Volumen-
bzw. Längenänderung,
beibehalten. Piezoelemente zeichnen sich durch Verschleißfreiheit,
schnelle Schaltzeiten und eine hohe Stellkraft zu Beginn des Schaltvorgangs
sowie einen geringen Energieverbrauch aus. Allerdings zeigen Piezoelemente
bei Anlegen der Steuerspannung nur geringe Volumenänderungen,
so daß der
zum Schalten der Ventile benötigte
Schalthub in der Regel nur durch Zwischenschaltung einer (mechanischen)
Hebelübersetzung
erreicht wird (
DE
102 33 316 A1 ). Die
DE 102 33 316 A1 offenbart eine Lösungsmöglichkeit für ein schnelles
Zurückkehren
des Schalthebels bei der Totmannfunktion des Aktors, indem dem Schwenkhebel
ein hydraulisch beaufschlagbarer Kolben zugeordnet ist.
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Piezo-Aktoren
zeichnen sich im Besonderen durch ihr kapazitives Verhalten aus.
Wird an einem Piezo eine Spannung angelegt, so kommt es zu einem
Ladungsfluß auf
den Piezo, der diese Ladung so lange beibehält, bis er entladen wird. Eine
selbsttätige
Entladung erfolgt nur in einem vernachlässigbaren Maß durch
einen Leckstrom über
den inneren Widerstand des Piezoelementes. Ein kurzfristiges, selbständiges Zurückkehren
des Piezoelementes in seine Ausgangsstellung durch Wegnahme der
Steuerspannung ist somit nicht möglich.
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Aus
der
DE 198 43 621
A1 ist eine Entladeschaltung für ein kapazitives Stellglied,
und zwar insbesondere ein piezoelektrisch betriebenes Einspritzventil
einer mit Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, bekannt. Die
für einen
Piezoaktor bekannte Entladeschaltung setzt nur dann ein, wenn eine
auf andere Weise realisierte gesteuerte Entladung ausfällt. Die
bekannte Entladeschaltung kommt mithin nur dann zum tragen, wenn
z.B. die Stromversorgung einer externen Steuereinheit ausfällt oder
die externe Steuereinheit eine Funktionsstörung hat. Die im untertägigen Bergbau
geltenden Sicherheitsbestimmungen erfüllt eine derartig aufgebaute
Entladeschaltung nicht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine piezoelektrische Aktoreinheit für den Bergbau
zu schaffen, die für
die Totmannfunktion ein sicheres und schnelles Zurückkehren
in die Ausgangsstellung bzw. Ausgangsdehnung des Piezoelementes
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die piezoelektrische
Aktoreinheit eine dem Piezoelement zugeordnete Entladeschaltung
mit wenigstens einem Entladeelement umfasst, wobei erfindungsgemäß die Entladeschaltung
derart aufgebaut ist, daß das Entladeelement
permanent bzw. ständig
das Piezoelement entlädt,
solange kein Entsperrsignal die Entladeschaltung aktiv öffnet. Die
aktive Öffnung
der Entladeschaltung zum Unterbrechen des Entladvorgangs erfolgt
erfindungsgemäß durch
Anlegen entweder der Steuerspannung oder einer Entsperrspannung.
Die Entladeschaltung mit dem Entladeelement ist mithin derart aufgebaut,
daß das
Piezoelement mit dem Entladeelement passiv entladen wird, solange kein
Steuersignal an die Aktoreinheit ausgegeben wurde bzw. keine den
Schalthub auslösende
Steuerspannung am Piezoelement bzw. der Entladeschaltung anliegt.
Erst wenn von einer übergeordneten Steuereinheit
ein Steuersignal oder eine Steuerspannung am Piezoelement der piezoelektrischen
Aktoreinheit angelegt wird, wird erfindungsgemäß das Entladeelement mittels
der Entladeschaltung in einer Weise angesteuert, daß das Entladeelement
vom Piezoelement getrennt ist, wodurch der Entladevorgang unterbrochen
ist und das Piezoelement nun den gewünschten Schalthub ausführen kann.
Auslöser hierfür ist ein
der Entladeschaltung zugeführtes,
geeignetes Entsperrsignal.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgesehenen,
ansteuerbaren, das Entladeelement umfassenden Entladeschaltung wird
mithin zur Rea lisierung der bergmännisch geforderten Totmannfunktion
immer dann eine Entladung des Piezoelementes bewirkt, wenn sich
der Aktor in der bergmännisch
sicheren Ausgangsstellung befinden soll. Die passive Entladung des
Piezoelementes wird durch das Entladeelement gegenüber einer
Selbstentladung unter Last erheblich beschleunigt, wobei die Entladung
des Piezoelementes prinzipbedingt eine Volumenänderung des Piezoelementes
und damit dessen Rückkehr
in die Ausgangsstellung bewirkt.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann
die Entsperrspannung durch die Steuerspannung oder aus der Steuerspannung
unmittelbar generiert werden. Alternativ kann die Entsperrspannung über eine
Spannungsreduzierung aus der Steuerspannung generiert werden. Bei
Spannungsunterbrechung an der Aktoreinheit bricht dann unmittelbar auch
die Entsperrspannung zusammen. Das Entsperrsignal kann jedoch auch
unabhängig
vom Steuersignal aktiviert werden, auch wenn es von Vorteil ist,
das Entsperrsignal insbesondere unmittelbar durch das Steuersignal
zu aktivieren. Ferner kann eine analoge Schaltung zum Generieren
der Steuerspannung und der Entsperrspannung aus einem Schaltsignal
vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine vorgeschaltete,
insbesondere digitale Intelligenz zum Generieren der Steuerspannung
und der Entsperrspannung bzw. der entsprechenden Signale vorgesehen
sein. Dies ermöglicht
darüber
hinaus, mit der vorgeschalteten Intelligenz über eine Kommunikationsleitung
mit übergeordneten
Steuergeräten
Daten, insbesondere Sollwerte, Istwerte und Stati auszutauschen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung sieht
als eine Alternative auch vor, das Entladeelement durch Anlegen
derselben Steuerspannung anzusteuern. Es versteht sich, daß mit Anlegen
derselben Steuerspannung nicht zwingend gefordert sein muß, daß betragsmäßig dieselbe
Steuerspannung zum Beaufschlagen des Piezoelementes und zum Ansteuern der
Entladeschaltung verwendet wird. Für die erfindungsgemäße Lösung reicht
vielmehr aus, daß das Ansteuern
des Entladeelementes bzw. der Entladeschaltung durch Anlegen der
Steuerspannung an der Aktoreinheit ausgelöst wird.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist der Entladeschaltung ein Schaltelement
zugeordnet, das nur bei Anlegen der Steuerspannung oder Entsperrspannung
eine Entladung des Piezoelementes unterbricht bzw. einen Schaltkreis
mit dem Entladeelement auftrennt, während es immer dann, wenn keine
Entsperr- oder Steuerspannung an der Aktoreinheit anliegt, das Piezoelement
und das Entladeelement kurzschließt. Die bevorzugte erfindungsgemäße Lösung hat
den Vorteil, daß das
Piezoelement aktiv zur Erreichung des Schalthubs freigeschaltet
werden muß,
da ansonsten das Piezoelement permanent entladen wird und aus diesem
Grunde nicht geschaltet werden kann. Im Falle einer Spannungsunterbrechung
oder einer anderweitigen Störung
im Versorgungsnetz oder in der übergeordneten
Steuereinrichtung ist dann permanent eine passive Sicherheitsfunktion
in die piezoelektrische Aktoreinheit integriert, die ein selbständiges,
sicheres und kurzfristiges automatisches Zurückkehren des Piezoelementes
in seinen Ausgangszustand bewirkt.
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Bei
der insbesondere bevorzugten Ausgestaltung ist das Entladeelement
parallel zum Piezoelement angeordnet. In einfachster Ausgestaltung
der Entladeschaltung besteht das Entladeelement aus wenigstens einem
Entladewiderstand. Es versteht sich, daß der Entladewiderstand bzw.
die Entladewiderstände
auf die Kapazität
des Piezoelementes abgestimmt wird/werden. Durch entsprechende Auswahl
des Entladewiderstandes ist es möglich,
das Piezoelement (den Piezo bzw. Piezoaktor) innerhalb von Millisekunden
zu entladen.
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Das
Schaltelement kann insbesondere aus einem Schalttransistor oder
einem FET (Feldeffekttransistor) wie insbesondere einem NC-FET-Baustein
(NC=Normally Closed) bestehen. Anstelle eines Schalttransistors
oder FET's können auch
mehrere Schalttransistoren oder FET-Bausteine vorgesehen sein.
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Für den Einsatz
piezoelektrischer Aktoreinheiten im untertägigen Bergbau ist besonders
vorteilhaft, wenn die Entladeschaltung redundant ausgeführt ist
und wenigstens zwei Schaltkreise mit Entladeelement und Schaltelement
aufweist. Die redundante Ausführung
der Entladeschaltung mit mehreren Schaltkreisen gewährleistet
das Funktionieren der Totmannfunktion selbst bei Auftreten eines
Abriß der
Kontaktierung zwischen einem der Entladeschaltkreise und dem Piezoelement.
Da das Piezoelement prinzipbedingt sein Volumen ändert, stellt eine zuverlässige Kontaktierung
des Piezoelementes mit einem Schaltkreis ein Problem dar; nach einer Vielzahl
von Schalthüben
kann es zu einem Abriß einzelner
Kontaktierungen kommen. In erfindungsgemäß bevorzugter Ausgestaltung
ist daher jeder Schaltkreis über
eine separate Kontaktierung an das Piezoelement angeschlossen. Aus
den gleichen Gründen
ist es besonders vorteilhaft, wenn einige oder alle elektrischen
Kontaktierungen mit dem Piezoelement zumindest doppelt ausgeführt sind.
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Für den Fachmann
ist ersichtlich, daß bei
der piezoelektrischen Aktoreinheit sämtliche Arten von Piezoelementen,
insbesondere Piezoelementstapel, zum Einsatz kommen können, da
die erfindungsgemäße Entladeschaltung
unabhängig
von der Ausgestaltung des Piezoelementes vorgesehen werden kann.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines schematisch in den Figuren gezeigten
Ausführungsbeispiels
für ein
untertägi ges
Hydraulikventil mit piezoelektrischer Aktoreinheit. In der Zeichnung
zeigen:
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1 in
einem Schaltbild ein vorgesteuertes Hydraulikventil mit piezoelektrischer
Aktoreinheit für den
untertägigen
Bergbau in Totmannstellung;
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2 den
Aufbau einer erfindungemäßen Entladeschaltung
einer piezoelektrischen Aktoreinheit anhand eines schematischen,
elektrischen Schaltplans; und
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3 die
erfindungemäße Aktoreinheit
mit einer Ansteuerung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
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Im
Schaltbild nach 1 ist einem hydraulischen Hauptsteuerventil 1 ein
Vorsteuerventil 2 vorgeschaltet, welches durch Anlegen
einer symbolisch angedeuteten Steuerspannung S an einer piezoelektrischen
Aktoreinheit 10 betätigt
werden kann. Das Schaltbild zeigt die beiden Ventile 1, 2 in
der Ausgangsstellung. Durch Ansteuern der piezoelektrischen Aktoreinheit 10 wird
der Ventilschieber des Vorsteuerventils derart verschoben, daß die Ausgangsleitung 3 des
Vorsteuerventils 2 hydraulisch mit der Hochdruckquelle 4 verbunden
ist, wodurch der Ventilschieber des nachgeschalteten Hauptsteuerventils 1 ebenfalls
seine Schaltstellung ändert
und einen über
die Verbraucherleitung 5 angeschlossenen Verbraucher mit
der Hochdruckquelle 4 verbindet. In der gezeigten Ausgangsstellung
hingegen ist sowohl die Verbraucherleitung 5 als auch die
Ausgangsleitung 3 des Vorsteuerventils 2 an den
Rücklauf 6 angeschlossen.
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In
der bekannten Bauweise von Hydraulikventilen für den untertägigen Bergbau
mit einem Elektromagnetaktor würde
der Schaltstößel des Elektromagneten
durch eine Feder immer dann in seine Ausgangsstellung zurückbewegt
werden, wenn keine Steuerspannung an dem Aktor anliegt, mithin kein
Strom durch die Spule des Elektromagneten fließt. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen
Aktoreinheit 10 zum Ansteuern des Vorsteuerventils 2 hingegen
ist eine Entladeschaltung vorgesehen, um das Piezoelement der piezoelektrischen
Aktoreinheit 10 immer dann in ihren Ausgangszustand zurückzubewegen,
wenn keine Steuerspannung S an der Aktoreinheit 10 anliegt.
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2 zeigt
in einem elektrischen Schaltplan die piezoelektrische Aktoreinheit 10 mit
dem Piezoelement 11. Das Piezoelement 11 ist mittels
der symbolisch dargestellten Vorspannungsfeder 12 in seiner Ausgangsstellung
vorgespannt. Die Federkraft der Vorspannungsfeder 12 reicht
jedoch nicht für
eine schnelle elektrische Selbstentladung des Piezoelementes 11 aus.
Wie an sich bekannt, wird das Piezoelement 11 durch Anlegen
einer Steuerspannung S an den Ansteuerpolen 13, 14 der
piezoelektrischen Aktoreinheit 10 zur Bewirkung eines Schalthubs
in seiner Länge
gedehnt. Beide Ansteuerpole 13, 14 sind jeweils über Leitungen 15, 16 mit
dem Piezoelement 11 verbunden und das System aus Ansteuerpolen 13, 14 sowie
Leitungen 15, 16 bildet die Piezoaktor-Ansteuerung
für das
Piezoelement 11. Erfindungsgemäß ist nun die piezoelektrische
Aktoreinheit 10 mit einer Entladeschaltung versehen, die
im gezeigten Ausführungsbeispiel
nach 2 zwei identisch zueinander aufgebaute Entladeschaltkreise 20, 30 umfaßt. Jeder
Entladeschaltkreis 20, 30 besteht aus einem Entladewiderstand 21, 31 und
einem diesem zugeordneten FET-Baustein 22, 32.
Beide Entladewiderstände 21, 31 sind
parallel zum Piezoelement 11 geschaltet und im gezeigten
Ausführungsbeispiel
hat der Entladewiderstand 21 am Piezoelement 11 dieselbe
Kontaktierung 17 wie die Minuspol-Leitung 16 der
Piezoansteuerung, während
der Entladewiderstand 31 über eine separate Kontaktierung 33 am
Piezoele ment 11 angeschlossen ist. Hierbei ist nicht dargestellt,
daß jede
Kontaktierung zugleich mehrfach ausgeführt sein könnte. Die den Entladewiderständen 21, 31 zugeordneten
FET-Bausteine 22, 32 sind derart ausgeführt, daß sie normalerweise
das Piezoelement 11 mit dem jeweils zugeordneten Entladewiderstand 21 bzw. 31 über die
Leitungen kurzschließen,
wodurch die Entladewiderstände 21, 31 das
Piezoelement entladen. Liegt allerdings die Steuerspannung S an
den Ansteuerpolen 13, 14 und zugleich an den Ansteuerpolen 26, 36 an,
wird der FET-Baustein 22 über die Verzweigungsleitung 18, 25 und
der FET-Baustein 32 über
die Kontaktleitung 34, 35 mit der Steuerspannung
S beaufschlagt, so daß beide
FET-Bausteine öffnen
und die jeweiligen Entladeschaltkreise 20, 30 unterbrechen
bzw. ebenfalls öffnen.
Nur bei Anliegen der Steuerspannung S an den Ansteuerpolen 13, 14 sowie 26, 36 findet
mithin keine aktive Entladung des Piezoelementes 11 über die
Entladewiderstände 21, 31 statt.
Sobald die Steuerspannung S an den Ansteuerpolen 13, 14 der
Piezoansteuerung sowie an den Ansteuerpolen 26, 36 wegfällt, schließen die
FET-Bausteine 22, 32 und schließen hierdurch
die Entladewiderstände 21, 31 mit
dem Piezoelement wieder kurz, so daß die Entladung des Piezoelementes 11 erneut
unmittelbar einsetzt. Hierdurch nimmt das Piezoelement 11 wiederum
seine Ausgangslänge
ein, wodurch das Vorsteuerventil (2, 1)
in seine Ausgangsstellung zurückkehrt.
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3 zeigt
anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels
die piezoelektrische Aktoreinheit 10 in einer Ansteuerung
durch eine vorgeschaltete Schaltung 40. Die piezoelektrische
Aktoreinheit 10 hat denselben Aufbau wie im Ausführungsbeispiel
nach 2 und gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen
versehen. Auf die vorherige Beschreibung wird Bezug genommen. Die
analoge Schaltung 40 generiert aus einem Ansteuersignal 44 eines übergeordneten
Steuergerätes 43 einerseits
die Steuerspannung S und andererseits auch eine Entsperrspannung Es.
Trotz der Steuerspannung S an den Ansteuerpolen 13, 14 fährt das
Piezoelement 11 nur dann aus, wenn zugleich an den Ansteuerpolen 26, 36 ein
Entsperrsignal z.B. als Entsperrspannung Es anliegt; denn nur durch
die Entsperrspannung Es, welche über
die Ansteuerleitungen 25, 35 die FET-Bausteine 22, 32 ansteuert,
werden die Entladeschaltungen 20, 30 geöffnet. Dieses
aktive Öffnen der
Entladeschaltungen 20, 30, wodurch die Entladewiderstände 21, 31 vom
Piezoelement getrennt werden, ist für eine Längendehnung des Piezoelementes 11 zwingende
Voraussetzung. Nur bei Anliegen der Entsperrspannung Es an den Ansteuerpolen 26, 36 findet
mithin keine ansonsten ständige
Entladung des Piezoelementes 11 über die Entladewiderstände 21, 31 statt.
Sobald die Entsperrspannung Es an den Ansteuerpolen 26, 36 wegfällt, schließen die FET-Bausteine 22, 32 und
schließen
hierdurch die Entladewiderstände 21, 31 mit
dem Piezoelement wieder kurz, so daß die Entladung des Piezoelementes 11 erneut
unmittelbar einsetzt. Hierdurch nimmt das Piezoelement 11 wiederum
seine Ausgangslänge
ein, wodurch das Vorsteuerventil (2, 1)
in seine Ausgangsstellung zurückkehrt.
Die Schaltung 40 kann über
eine schematisch angedeutete Intelligenz (CPU etc.) 41 verfügen, um über die
Kommunikationsleitung 44 Daten wie Soll- und Istwerte mit
dem übergeordneten
Steuergerät 43 bidirektional
auszutauschen.
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Für den Fachmann
sind aus der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche Modifikationen
ersichtlich, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen
sollen. Anstelle nur eines Entladeschaltkreises oder von zwei Entladeschaltkreisen könnten auch
drei oder mehr Entladeschaltkreise vorgesehen sein. Einige oder
sämtliche
der Kontaktierungen könnten
doppelt oder mehrfach ausgeführt sein.
Anstelle von FET-Bausteinen, die durch Anlegen einer Steuerspannung
geöffnet
werden, könnten auch
andere, geeignete Schalttransistoren zum Einsatz kommen.