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Regelanordnung zur analogen Einstellung einer digital vorgegebenen
Position mittels Drehmelder und vielfach angezapfter Transformatoren Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung zur analogen Einstellung einer digital
vorgegebenen Position mittels Drehmelder und vielfach angezapfter Transformatoren.
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Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist zunächst auf die bekannten
Anordnungen der oben bezeichneten Art einzugehen. Das Prinzip einer solchen Anordnung
in. einfachster Form ist in F i g. 1 dargestellt. In F i g. 1 stellt das Organ 2
einen Drehmelder dar. Dieser besteht aus einer elektrischen Maschine, dessen Ständerwicklung
eine symmetrische Dreiphasenwicklung 5 trägt. Der Läufer 6 dieses Drehmelders wird
von einer einphasigen Wechselspannung U - erregt. Der Läufer 6 induziert in die
Ständerwicklung eine unsymmetrische Dreiphasenspannung. Diese vom Drehmelder auf
der Empfängerseite erzeugte unsymmetrische Dreiphasenspannung wird zu der Geberseite
geführt. Die Geberseite besteht aus einem Transformator 1, dessen Primärwicklung
4 eine symmetrische Dreiphasenwicklung ist. über diese Primärwicklung wird der Transformator
1 von der unsymmetrischen Dreiphasenspannung des Drehmelders 2 erregt. Die Sekundärwicklung
des Transformators 1 ist eine Spezialwicklung mit vielen Anzapfungen. Diese Wicklung
ist so ausgebildet und: die Anzapfungen sind so ausgewählt, daß bei Erregung des
Transformators mit einem symmetrischen Drehspannungssystem an allen Anzapfungen
eine Wechselspannung auftritt, deren Größe konstant ist und deren Phasenlage sich
von Anzapfung zu Anzapfung um gleichbleibende Winkel ändert. Bei der Erregung mit
dem von dem Drehmelder gelieferten unsymmetrischen Dreiphasensystem ist die Phasenlage
der an jeder Anzapfung auftretenden Spannung gleich, jedoch ändert sich die Größe
sinusförmig mit der Winkellage des Abgriffs. In F i g. 2 ist der Scheitelwert d
U der Spannungen an den Anzapfungen als Funktion des Abgriffswinkels d 99
aufgetragen.
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Die Anordnung nach F i g. 1 arbeitet in der Weise, daß eine bestimmte
Anzapfung durch eine nicht dargestellte Tastatur ausgewählt wird (digitale Vorgabe),
und die Spannung dieser Anzapfung phasenabhängig gleichgerichtet wird. Diese Spannung
dient zur Steuerung eines Verstellmotors 7, der mit dem Drehmelder gekoppelt ist
und diesen so lange dreht, bis die an der ausgewählten Anzapfung auftretende Spannung
verschwindet. Die Drehrichtung des Verstellmotors ist dabei von dem Vorzeichen der
phasenabhängigen gleichgerichteten Spannung d U abhängig. In dem Block 8
findet die phasenabhängige Gleichrichtung und Verstärkung statt. Die Entfernung
zwischen dem Drehmelder auf der Empfängerseite und dem vielfach angezapften Transformator
auf der Geberseite kann grundsätzlich beliebig groß sein. Die gesamte Anordnung
kann aber auch in einem Gerät untergebracht werden. Die Anordnung kann auch als
Digital-Analog-Wandler aufgefaßt werden, wobei die digitale Eingabe durch Wahl einer
Anzapfung geschieht und die analoge Größe die Winkelstellung des Drehmelders ist.
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F i g. 1 zeigt nur eine einfache Ausführungsform der beschriebenen
Anordnungen, auf die sich die Erfindung bezieht. In anderen Ausführungsformen werden
auf der Geberseite häufig zum Zweck der Unterbringung vieler Anzapfungen mehrere
Transformatoren in geeigneter Weise kombiniert. Desgleichen können auch zwei Systeme
dieser Art als Grob- und Feinsystem miteinander verbunden werden. In diesem Fall
sind auf der Empfängerseite zwei Drehmelder über ein Getriebe miteinander gekoppelt.
Die Anzapfungen sind meist dekadisch gestaffelt und können von einer dekadisch aufgebauten
Tastatur durchgeschaltet werden.
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Da die Spannung d U phasenabhängig gleichgerichtet wird, wird
bei der Vorgabe eines neuen Sollwertes dieser vom gerade vorhandenen Istwert aus
stets auf dem kürzesten Winkel angelaufen. Dies ist in F i g. 3 symbolisch dargestellt.
Wenn der vorliegende Istwert durch die Winkellage Il und der neue Sollwert durch
die Winkellage S gekennzeichnet ist, dann durchläuft der Drehmelder den Winkel
d qgi. Wäre der gerade vorliegende Istwert durch die Winkellage 12 gekennzeichnet,
dann würde der Winkel d 992 durchlaufen werden. Es wird also jeweils der
kleinere der beiden möglichen Winkel durchlaufen.
Dieser Winkel
ist stets kleiner als 180°. Würde dies nicht geschehen, d. h:, würde der Stellmotor
7 unabhängig von der Phase der Spannung d U stets in der gleichen Richtung
laufen, dann würde beim Durchlaufen eines Winkels, der größer als l80° ist, die
Anlage in der Entfernung von 180° vom einzufahrenden Sollwert stehenbleiben, weil
auch in dieser Lage die Spannung d U verschwindet.
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Die soweit beschriebenen bekannten Anordnungen haben nun zwei Nachteile:
Der erste weniger bedeutende Nachteil besteht darin, daß, wenn der neu einzufahrende
Sollwert genau 180° vom vorhandenen Istwert entfernt ist, die Spannung d U Null
ist und die Anlage stehenbleibt. Jedoch ist dieser Fait erstens selten, und zweitens
ist das Gleichgewicht in der Entfernung von 180° labil, so daß durch leichte Unsymmetrien
ein Stehenbleiben in dieser Winkellage verhindert werden kann.
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Der zweite, und zwar der schwerwiegendere Nachteil besteht in folgendem:
An der Welle 9 in F i g. 1 hängt im allgemeinen irgendein Objekt, das in seiner
Lage entsprechend dem vorgegebenen Sollwert eingegeben werden soll. Wenn es sich
hierbei um die Einstellung einer rotatorischen Lage handelt, das einzustellende
Objekt sich also dreht und in eine bestimmte Winkellage gebracht werden soll, dann
können die 360° des Drehmelders für die Einstellung voll ausgenutzt werden, denn
bei einer rotatorischen Einstellung ist es gleichgültig, von welcher Seite her das
Objekt in die vorgegebene Winkelstellung einläuft. (Es sei darauf hingewiesen, daß
bei System mit Grob- und Feinsystemen diese Ausführungen für das Grobsystem gelten,
da allein bei diesem eine eindeutige Zuordnung der einzustellenden Lage mit der
Winkelstellung des Drehmelders besteht.) Anders liegen die Verhältnisse, wenn eine
translatorische Einstellung erforderlich ist. Dies ist z. B. bei der Einstellung
des Walzspaltes zwischen der Ober- und Unterrolle eines Walzengerüstes der Fall.
Hier wird die rotatorische Bewegung der Welle 9 (F i g. 1) z. B. über Ritzen- und
Zahnstange in eine translatorische Bewegung übergeführt. Das Einlaufen in eine Position
von beiden Seiten her ist dann nicht mehr möglich, da die Enden der zu positionierenden
Strecke nicht mehr wie bei der Kreisbahn miteinander verbunden sind. Befindet sich
das Objekt z. B. nahe seiner einen Endlage und soll es in die Nähe seiner anderen
Endlage gebracht werden, dann muß der ganze dazwischenliegende Bereich durchlaufen
werden, da die beiden Endlagen nicht miteinander verbunden sind. Das bedeutet, daß
der Drehmelder annähernd 360° durchlaufen muß. Dies ist aber, da der Drehmelder
jeweils auf dem kürzesten Winkel in die neue Lage einläuft, nicht möglich. Würde
man Mittel vorsehen, die den Drehmelder auch über den größeren Winkel einlaufen
lassen würden, dann würde er, wie bereits geschildert, in einer Position, die 180°
von der einzunehmenden Position entfernt ist, stehenbleiben.
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Aus diesem Grunde mußte man sich bisher bei der Einstellung einer
translatorischen Lage mit der Ausnutzung des halben Winkelbereichs des Drehmelders
begnügen. Dies ist in F i g. 4 angedeutet. Der ausgenutzte Teil erstreckt sich über
den Winkel a und ist schraffiert dargestellt. Er ist etwas kleiner als 180°, da
ein Sicherheitswinkel ß nötig ist, um ein Stehenbleiben in der Entfernung 180° oder
ein Laufen in die entgegengesetzte Richtung zu vermeiden. Die Zahl der auf einem
bestimmten Winkel des Drehmelders unterbringbaren digitalen Positionen ist jedoch
aus verschiedenen Gründen begrenzt. Das bedeutet, daß bei einer gegebenen Länge
der Strecke, auf der digital vorgegebene Positionen eingefahren werden sollen, die
Feinheit, -mit der die Einstellung vorgenommen werden kann, nur halb so groß ist
wie bei Ausnutzung des gesamten Winkelbereichs des Drehmelders.
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Eine wesentliche Verbesserung, durch die fast der gesamte Winkelbereich
des Drehmelders ausgenutzt werden kann, wird mit einer bereits vorgeschlagenen Regelanordnung
zur analogen Einstellung einer digital vorgegebenen Position erzielt, bei der auf
der Geberseite zur digitalen Eingabe der Position eine Anordnung aus vielfach angezapften
Transformatoren vorgesehen ist und auf der Empfängerseite eine oder mehrere über
Getriebe gekoppelte Drehmelder vorgesehen sind, deren Läuferwicklungen von einer
einphasigen Wechselspannung erregt werden und deren in die Ständerwicklungen induzierten
Spannungen zur Erregung der Transformatoren auf der Geberseite dienen, wobei die
Welle der Drehmelder in Abhängigkeit der an der durchgeschalteten Anzapfung des
Gebertransformators abgegriffenen Spannung so lange gedreht wird, bis diese Spannung
zu Null wird, und in der eine Schaltung vorgesehen ist, die, wenn der augenblickliche
Istwert im Bereich von Null bis liegt und der neue Sollwert im Bereich von
bis Z
liegt oder umgekehrt, wobei Z die Gesamtzahl der im Drehbereich von annähernd 360°
einstellbaren Positionen bezeichnet, zunächst ein Einfahren auf die Position
auslöst, an die sich kurz vor Erreichen der Position
selbsttätig der Einfahrvorgang auf den vorgegebenen Sollwert anschließt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
der oben geschilderten Art zu schaffen, die es gestattet, bei Einstellung einer
translatorischen Lage den gesamten Winkelbereich von 360° des Drehmelders auszunutzen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Regelanordnung zur analogen Einstellung
einer digital vorgegebenen Position vorgeschlagen, bei der auf der Geberseite zur
digitalen Eingabe der Position eine Anordnung aus vielfach angezapften Transformatoren
vorgesehen ist (Sollwert-Istwert-Vergleichsglied) und auf der Empfängerseite eine
oder mehrere über Getriebe gekoppelte Drehmelder (Istwerterfassung) vorgesehen sind,
deren Läuferwicklungen von einer einphasigen Wechselspannung erregt werden und deren
in die Ständerwicklungen induzierten Spannungen zur Erregung der Transformatoren
auf der Geberseite dienen, wobei die Welle der Drehmelder in Abhängigkeit der am
Gebertransformator abgegriffenen Spannung
d U (Sollwert-Istwert-Differenz)
so lange gedreht wird, bis diese Spannung zu Null wird, und die dadurch gekennzeichnet
ist, daß zur Nutzbarmachung des gesamten Drehbereichs des Drehmelders die auf 360°
verteilten Sollwertpositionen in drei Bereiche I, 1I, III aufgeteilt sind, von denen
jeder höchstens (180-ß) Grad erfaßt, wobei ß ein relativ kleiner Sicherheitswinkel
ist, daß drei den Bereichsgrenzen entsprechende Hilfsspannungen d UH o,
d U Hl,
d U112 durch Abgriff am vielfach angezapften Transformator
oder
durch je zwei einphasige Hilfstransformatoren erzeugt werden, daß die drei Hilfsspannungen
phasenabhängig gleichgerichtet Werden und aus ihnen nach den logischen Bezeichnungen
| d UH o > 0 & AU", < 0 für Bereich I, |
| J U" 1 > 0 & J UH 2 < 0 für Bereich Il, |
| J UH2 > 0 & d U,71 < 0 für Bereich
III |
der Bereich ermittelt wird, in dem der Istwert liegt, und daß von den drei Spannungen
d
U, d UH
1; 4 UH
2
mittels einer logischen Verknüpfungsschaltung
jeweils diejenige als führender Sollwert auf den Verstärker durchgeschaltet wird,
die die Bedingung erfüllt, daß der Istwert vom gerade führenden Sollwert nicht mehr
als (180-/3) Grad entfernt ist.
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Die Erfindung soll an Hand der F i g. 5 bis 8, die zugleich auf ein
Zahlenbeispiel abgestellt sind, näher erläutert werden. Es wird angenommen, daß
zweitausendfünfhundert einstellbare Sollwertpositionen vorhanden sind, die auf eine
volle Umdrehung, also 360°, des Drehmelders gleichmäßig verteilt sind. Der Umfang
des Drehmelders wird in drei Bereiche I, II, III unterteilt, von denen keiner größer
als (180-ß) Grad ist (F i g. 5). ß ist dabei ein relativ kleiner Sicherheitswinkel,
wie er an Hand von F i g. 4 bereits erläutert wurde. Die drei Bereiche brauchen
untereinander nicht gleich groß zu sein. In dem Ausführungsbeispiel sind die beiden
Bereiche I und 1I gleich groß und erstrecken sich über 144° bzw. über je eintausend
Sollwertpositionen. Der dritte Bereich erstreckt sich über 72° bzw. fünfhundert
Sollwertpositionen. In F i g. 5 ist die Bereichsgrenze zwischen den Bereichen I
und III durch einen kräftigen Strich dargestellt. Die hierdurch bestimmte Bereichsgrenze
kann von dem Drehmelder nicht durchlaufen werden, da die Positionen 0 und 2500 Anfang
und Ende der sich als Strecke (z. B. Walzspalt) darstellenden Regelgröße zugeordnet
sind. Damit der Drehmelder in den Fällen, in denen er einen Winkel zu durchlaufen
hat, der größer als 180° - genau genommen (180-ß) Grad - ist, nicht in einer Entfernung
von 180° vom Sollwert stehenbleibt, wird gemäß der Erfindung zunächst ein Hilfssollwert
vorgegeben, der von der Istwertposition weniger als (180-ß) Grad entfernt ist.
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Hierzu ist zunächst erforderlich, daß die Lage des Istwertes näher
bestimmt wird. Es muß festgestellt werden, ob der Istwert mehr als (180-ß) Grad
vom neuen Sollwert entfernt ist. Hierzu genügt es, wenn festgestellt wird, in welchem
der drei Bereiche der Istwert liegt. Zu diesem Zweck werden drei Hilfsspannungen
d UH o, d UH 1, d UI I.2 erzeugt, die den Bereichsgrenzen zugeordnet
sind. Diese Hilfsspannungen können auf die Weise gewonnen werden, daß man an dem
vielfach angezapften Transformator (F i g. 7) die Spannungen der Positionen 0, 1000
und 2000 abgreift. Will man galvanisch getrennte Spannungen erzeugen, so kann man
jede der drei Spannungen mittels einphasiger Hilfstransformatoren erzeugen. Man
erkennt nämlich an dem vielfach angezapften Transformator 1 (F i g. 1), daß zur
Erzeugung der Spannung eines bestimmten Abgriffs auf der Primär- und Sekundärseite
nur zwei Wicklungsabschnitte erforderlich sind. Eine solche Zusammenschaltung läßt
sich aber aus zwei Einphasentransformatoren herstellen. F i g. 8 zeigt ein beliebiges
Beispiel. Für die Erzeugung der Hilfsspannung UH sind nur die voll ausgezogenen
Wicklungsteile erforderlich. Hierzu sind nur zwei Einphasentransformatoren notwendig.
An die drei Anschlüsse 13 wird die von der Ständerwicklung 5 des Drehmelders Z gelieferte
Spannung angeschlossen.
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Die drei Hilfsspannungen werden phasenabhängig gleichgerichtet. Die
auf diese Weise gewonnene Größe der drei. Hilfsspannungen ist in F i g. 6 als Funktion
der Winkellage des Drehmelders aufgetragen. Neben den Drehmeldewinkeln sind in F
i g. 6 auch die zugehörigen Sollwertpositionen für das gewählte Zahlenbeispiel eingetragen.
Aus F i g. 6 erkennt man, daß aus den drei Hilfsspannungen ermittelt werden kann,
in welchem Bereich der Istwert liegt, d. h. in welchem Bereich die Stellung des
Drehmelders fällt. Es gelten die folgenden Beziehungen:
| d Uo > 0 & d U,ooo < 0 für Bereich 1, |
| d Ulooo > 0 & 4 U2ooo < 0 für Bereich 1I, |
| d U2ooo > 0 & d Uo < 0 für Bereich III. |
Als Hilfssollwerte, die zunächst als Fehlerspannung auf den Verstellmotor geschaltet
werden, werden die Hilfsspannungen d UH., und
d UH
2 selbst verwendet.
Je nach Lage des neuen Sollwertes zum vorhandenen Istwert wird also entweder sofort
die Fehlerspannung
d U auf den Verstellmotor geschaltet oder zunächst eine
oder nacheinander beide Hilfsspannungen d UH 1 und
d UH
2. -
Damit, falls zunächst ein Hilfssollwert durchgeschaltet wird, beim
Erreichen dieses Hilfssollwertes und der damit erforderlichen Umschaltung auf den
nächsten Hilfssollwert oder die Fehlerspannung selbst der Verstellvorgang nicht
unterbrochen wird, erfolgt die Umschaltung auf den nächsten Sollwert bereits, wenn
der Betrag der gerade als Sollwert verwendeten Spannung einen bestimmten Betrag
unterschreitet.
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In F i g. 7 wird gezeigt, wie die drei Hilfsspannungen am vielfach
angezapften Transformator abgegriffen werden können. Sie werden zusammen mit der
Fehlerspannung d U
(d U bestimmt den einzustellenden Sollwert) auf eine logische
Verknüpfungsschaltung 12 gegeben. Da die obengenannten vier Spannungen in analoger
Form vorliegen, werden sie über Trigger in digitale Werte umgewandelt, damit sie
für die Verarbeitung in der logischen Verknüpfungsschaltung geeignet sind. Außerdem
werden der Verknüpfungsschaltung 12 Signale zugeführt, die angeben, in welchem der
drei Bereiche der Sollwert liegt. Die hierfür erforderlichen drei Signale liegen
bereits auf den Steuerleitungen für die Positionsanwahl in digitaler Form vor. Ihre
Zuführung zur logischen Verknüpfungsschaltung 12 ist in F i g. 7 nicht dargestellt.
Schließlich werden, ebenfalls über Trigger, digitale Werte erzeugt für die Angabe
d UH
1 <
151 V und
A UH.,
< 151
V. Die Angabe 5 V stellt hierbei ein Zahlenbeispiel für den Wert der durchgeschalteten
Spannnung dar, bei dessen Unterschreiten die durchgeschaltete Hilfsspannung durch
die andere Hilfsspannung oder die Fehlerspannung selbst ersetzt wird. Es sind also
insgesamt acht Größen durch digitale Angaben darzustellen:
| 1. Sollwert liegt im Bereich 1, |
| 2. Sollwert liegt im Bereich II, |
| 3. Sollwert liegt im Bereich III, |
| 4. A UH o > 0, |
| 5. dUH,<0, |
| 6. d U112> 0, |
| 7. dUHl<I51V, |
| 8 . 4U,12< 15 1 V. |
Die nachfolgende Tabelle enthält die Bedingungen, nach denen entschieden
wird, welche von den drei Spannungen ,i
U, d UH ;,
d UH
2 auf den Stellmotor durchgeschahet wird. Die Ermittlung der gerade vorliegenden
Bedingung wird durch entsprechende Ver-
| mhgwch gtete Istwert Sollwert UH 0 UH I UH 2 |
| 1 z zI - |
| >>[5[V - |
| 2 I III - [5[V - |
| 3 dUHI Il I - >[5[V - |
| 4 - I <0V - <[5[V |
| 5 11 111 - - >[51V |
| 6 III Il - - >[5[V |
| 7 dUHa III z - - >[5[V |
| 8 - 111 >0V <[5[V - |
| 9 I I - - - |
| 10 Il Il - - - |
| 11 III III - - - |
| 12 AU - I >0V <@5[V - |
| 13 - 11 >0V < 51 V - |
| 14 - 11 <0V - < 151 V |
| 15 J - III <0V - <[51V |
Liegen Sollwert und Istwert in demselben Bereich, wird die Fehlerspannung
d U durchgeschaltet. Liegt der Istwert im Bereich I und der Sollwert im Bereich
Il oder IH oder der Istwert im Bereich 1I und der Sollwert im Bereich I, wird zunächst
der Hilfssollwert 1000 vorgegeben, d. h.
d UH I durchgeschaltet, sofern
d UH I
> 151 V ist. Wird
d UH I
< 151 V, so
bedeutet das, daß sich der Istwert dem Hilfssollwert 1000 auf etwa
, fünfzig
Schritte (e215 V) genähert hat (s. F i g. 6). Zur Unterscheidung von dem um 180°
versetzten zweiten Nullpunkt der Spannung
d UH I wird die zusätzliche Bedingung
d Uo
> 0 ge-
stellt. Dann wird umgeschaltet auf
d UH
., falls der Sollwert im Bereich IH liegt, und auf
d U, wenn der Sollwert
im Bereich I oder Il liegt. Ähnliches gilt für die Durchschaltung der Spannung d
UH
2. -
Der Ablauf eines Regelvorganges soll noch an Hand eines Beispiels
erläutert werden. In F i g. 9 liegt der Istwert im Bereich III, während der neue
Sollwert im Bereich I liegt. Gemäß der Bedingung nach Zeile 7 der Tabelle wird zunächst
die Spannung d UH 2 durchgeschaltet. Der Drehmelder wird in der Weise
verstellt, daß sich der Istwert entgegen dem Uhrzeigersinn auf dem Kreis in F i
g. 9 bewegt. Hat sich der Istwert der Position 2000 so weit genähert, daß die Spannung
d UH 2 unter 5 V sinkt, dann wird gemäß der Bedingung nach Zeile 4 der Tabelle
die Spannung d UH I durchgeschaltet. Sobald der Istwert so weit gewandert
ist, daß d UH 2 > 151 V ist, ist für die Durchschaltung der
Spannung AU" I die Bedingung nach Spalte 1 bestimmend. Sinkt
d UH I unter 151 V, dann wird gemäß den Bedingungen nach Zeile 12
der Tabelle die Spannung d U durchgeschaltet. Sobald d UH 1 größer
als 151 V geworden ist, ist für die Aufrechterhaltung der Durchschaltung
der Spannung d U die Bedingung 9 bestimmend. knüpfung der oben angegebenen
acht digitalen Größen durch eine Schaltung vorgenommen, die nach den bekannten Gesetzen
der logischen Schaltalgebra aufgebaut wird.