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Bei dieser bekannten Sicherheitsschaltung ist der Sicherheitsschalter
ein mechanischer Schalter, der von einem Auslösemagneten geöffnet werden kann. Der
Auslösemagnet selbst wird durch ein Triac gesteuert,
das zur Öffnung
des Sicherheitsschalters durchzündet, wenn die Istwertspannung über einen mittels
eines Potentiometers fest einstellbaren Wert der Kontrollspannung steigt. Die Kontrollspannung
muß daher größer als der größte einstellbare Wert der Sollwertspannung sein, damit
die Istwertspannung unter normalen Betriebsverhältnissen, d. h. außer im Fehler-oder
Störungsfall, niemals die Kontrollspannung erreichen kann. Die Stromunterbrechung
durch den Sicherheitsschalter erfolgt daher bei dem bekannten Gerät immer erst bei
sehr hohen Temperaturen, die oberhalb des Temperaturbereiches des Temperaturreglers
liegen.
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Das ist besonders dann nachteilig, wenn die Sollwerttemperatur des
Temperaturreglers bis zu vergleichsweise niedrigen Werten einstellbar ist, und die
Stromunterbrechung durch den Sicherheitsschalter auch schon bei nur geringfügig
über der jeweils eingestellten Sollwerttemperatur liegender Kontrolltemperatur erwünscht
wäre. Die dieser Kontrolltemperatur entsprechende Kontrollspannung der der verstellbaren
Sollwerttemperatur entsprechenden Sollwertspannung einfach nachzuführen, würde diese
Schwierigkeiten nicht beheben, da dann bei niedrig eingestellter Kontroll- und Sollwerttemperatur
der Fall eintreten könnte, daß schon beim Einschalten des an sich fehlerfreien,
aber noch unbeheizten, sich auf der Umgebungstemperatur befindlichen Gerätes der
Sicherheitsschalter im Sinne einer Stromunterbrechung ausgelöst wird, weil die Umgehungstemperatur
vergleichsweise hoch ist, jedenfalls über der der Kontrollspannung entsprechenden
Temperatur und daher die Istwertspannung an sich bereits über der Kontrollspannung
liegt. Die Auslösung des Sicherheitsschalters im Sinne einer Stromunterbrechung
würde also stattfinden, obwohl das den Stromfluß durch den Heizleiter steuernde
Triac wegen der über der Sollwerttemperatur liegenden Istwerttemperatur keine Zündimpulse
erhält, in der Serienschaltung aus dem Heizleiter, dem Triac und dem Sicherheitsschalter
also überhaupt kein Strom fließt, somit auch keine Überhitzungsgefahr für das Gerät
besteht. Ein solches Auslösen des Sicherheitsschalters könnte jedoch irrtümlich
den Eindruck erwecken, es handele sich um einen Fehler oder um eine Störung im Gerät.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsschaltung
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Strom durch den Heizleiter bei
die Sollwerttemperatur überschreitender Istwerttemperatur mit Sicherheit, d.h. auch
im Fehler- oder Störungsfalle, unterbrochen wird, also merklich höhere Gerätetemperaturen
als die Sollwerttemperatur mit Sicherheit nicht auftreten können, aber auch Stromunterbrechungen
nur deswegen, weil bei noch unbeheiztem Gerät die Umgebungstemperatur über der Sollwerttemperatur
liegt, vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in Serie
mit dem Heizleiter und dem steuerbaren bidirektionalen Schalter ein zweiter steuerbarer
bidirektionaler Schalter liegt, zu dessen Steuerung ein zweiter von einer zweiten
Differentialverstärkeranordnung so geführter Steuersignalgenerator vorgesehen ist,
daß die den Stromfluß im zweiten bidirektionalen Schalter freigebenden Steuersignale
nur bei Sollwertspannungen entstehen, die innerhalb eines von der zweiten Differentialverstärkeranordnung
gebildeten Spannungsfensters liegen, das einerseits im Sinne tieferer Temperatur
durch die Istwertspannung, andererseits im Sinne höherer Temperatur durch eine am
Istwert-Brückenzweig abgenommene obere Kontrollspannung begrenzt ist und daß die
einerseits durch die bei kaltem Gerät tiefstmögliche Istwerttemperatur und andererseits
durch die größte einstellbare Sollwerttemperatur bestimmte Größe des Spannungsfensters
beider Differentialverstärkeranordnungen klein im Vergleich zur Brückengleichspannung
ist.
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Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht im wesentlichen
darin, daß auch im Fehler- oder Störungsfall ein völlig sicheres Abschalten des
Gerätes schon bei die Sollwerttemperatur überschreitender Istwerttemperatur gewährleistet
ist. Dies wird einmal dadurch erreicht, daß durch die Serienschaltung von zwei steuerbaren
bidirektionalen Schaltern und durch die parallele Anordnung ihrer Steuersignalgeneratoren
und der sie führenden Differentialverstärkeranordnungen ein Fehler in diesen Bauteilen
nicht zu einer Unterbrechung oder Störung des Regelkreises führen kann, da die Funktion
des fehlerhaften Bauteiles durch das jeweils entsprechende andere noch betriebsfähige
Bauteil allein übernommen werden kann. Jedoch wird allein dadurch die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe noch nicht gelöst, denn im Sollwert- und/oder Istwert-Brückenzweig
auftretende Fehler können zu Änderungen der Soll- oder Istwertspannungen führen,
die trotz voller Betriebsfähigkeit aller anderen Bauteile des Regelkreises Überhitzungen
des Gerätes zur Folge haben. Diese Schwierigkeit wird durch die von der Erfindung
vorgesehene besondere Beaufschlagung der Spannungsfenster beider Differentialverstärkeranordnungen
mit den Ist- und Sollwertspannungen sowie mit den von dem Sollwert- und dem Istwert-Brückenkreis
abgeleiteten beiden Kontrollspannungen gelöst. So ist das Spannungsfenster der einen
Differentialverstärkeranordnung nur vom Istwert-Brückenzweig, das der anderen nur
vom Sollwert-Brückenzweig abgeleitet.
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Diese beiden Spannungsfenster mit ihrer vom jeweils anderen Brückenzweig
abgeleiteten Mittelspannung, also mit den Istwert- und Sollwertspannungen und den
beiden Kontrollspannungen bilden zwei unabhängige, frei eingestellte Systeme, die
nur bei ordnungsgemäßen Zustand des Istwert- und Sollwert-Brückenzweiges so ineinandergreifen,
daß ein Betrieb des Gerätes überhaupt möglich ist Schon sehr kleine störungsbedingte
Veränderungen in einem der beiden Brückenzweige genügen, die Fensterspannungen an
den Eingängen beider Differentialverstärkeranordnungen so zu verschieben, daß an
beiden steuerbaren bidirektionalen Schaltern die den Stromfluß freigebenden Steuersignale
unterdrückt werden, der Heizleiter also stromfrei wird, bzw. bleibt Die einzigen
Fälle, in welchen nur einer dieser beiden Schalter die Sicherheitsfunktion wahrnimmt,
sind die, in welchen einer der beiden Brückenzweige im Bereich des von ihm gebildeten
Spannungsfenster aufgetrennt wird. Dann unterbricht nur noch derjenige Schalter,
dessen Steuersignalgenerator von der Differentialverstärkeranordnung gesteuert wird,
deren Spannungsfenster vom nicht aufgetrennten Brückenzweig abgeleitet ist Bei dem
aus dem Istwert-Brückenzweig abgeleiteten Spannungsfenster der zweiten Differentialverstärkeranordnung
braucht übrigens die obere Kontrollspannung nicht konstant zu sein. Eine besonders
einfache und daher bevorzugte Ausführungsform ist somit dadurch gekennzeichnet,
daß im Istwert-Brückenzweig der temperaturabhängige Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten
besitzt und einerseits am einen Pol der Brückengleichspannung liegt, und daß sich
die um die Größe des Spannungsfensters über der
Istwertspannung
liegende obere Kontrollspannung wie die Istwertspannung temperaturabhängig verändert.
Im übrigen ist es erforderlich, daß bei Ausbildung der beiden steuerbaren bidirektionalen
Schalter als in Reihe liegende Triacs die Zündelektrode mindestens desjenigen Triacs,
das zwischen dem Heizleiter und dem anderen an die Schaltungsmasse angeschlossenen
Triac liegt, über einen Ableitwiderstand mit der Schaltungsmasse verbunden ist.
Nur dann ist eine einwandfreie Arbeitsweise dieses Triacs gewährleistet.
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Anhand der einzigen Figur der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung erläutert.
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In der Zeichnung ist der Null-Leiter der Betriebswechselspannung
mit 0, der die Phasenspannung führende Leiter mit Ubezeichnet. An beiden Leitern
O, U liegt über einen - zweipoligen, von Hand zu betätigenden Ein- und Ausschalter
S eine Serienschaltung, die aus dem Heizleiter RH des Gerätes, beispielsweise eines
schmiegsamen Wärmegerätes, und aus zwei durch Steuersignale steuerbaren bidirektionalen
Schaltern, nämlich den Triacs Tr 1 und Tr 2, besteht.
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Die mit B1 und B2 bezeichneten, lediglich schematisch dargestellten
Blöcke sind jeweils ein integrierter Nullspannungsschalter, wie er bekannt und beispielsweise
in der eingangs schon erwähnten Literaturstelle »Haustechnischer Anzeiger« a. a.
o. beschrieben ist.
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Ohne daher hier auf Einzelheiten seines Aufbaus eingehen zu müssen,
seien lediglich folgende Eigenschaften erwähnt: Der Anschluß jedes Nullspannungsschalters
an die Betriebswechselspannung erfolgt über seine Anschlußpunkte 4 und 5, wobei
der Anschlußpunkt 4 an der Schaltungsmasse M, die über den Ein-Ausschalter S mit
dem Null-Leiter 0 verbunden ist, und der Anschlußpunkt 5 über eine Widerstands-Diodenkombination
R 12, R 13, R 14 und D3 am Phasenleiter 4 liegen. Da diese Widerstands-Diodenkombination
für das Verständnis der Erfindung ohne Bedeutung ist, kann auf die Beschreibung
ihrer Funktion verzichtet werden. Am Anschlußpunkt 7 kann eine negative Gleichspannung
von 15 Volt abgenommen werden, die über einen Kondensator C6 geglättet ist. Am Anschlußpunkt
6 werden Zündimpulse für die Steuerung des jeweiligen Triacs Tr 1 bzw. Tor 2 abgenommen.
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Diese Zündimpulse sind intern durch die Phasenspannung U der Betriebswechselspannung
am Anschlußpunkt 5 so synchronisiert, daß sie jeweils im Nulldurchgang der Betriebswechselspannung
entstehen, jedoch nur dann, wenn die dem Anschlußpunkt 1 angelegte Spannung ihrer
Größe nach zwischen den beiden den Anschlußpunkten 2 und 8 angelegten Spannungen
liegt. Überschreitet die Spannung am Anschlußpunkt 1 diejenige am Anschlußpunkt
8 oder unterschreitet sie die Spannung am Anschlußpunkt 2, so werden die Zündimpulse
am Anschlußpunkt 6 unterdrückt. Zwischen den Anschlußpunkten 2 und 8 besteht somit
jeweils ein durch in den integrierten Nullspannungsschaltern B1, B2 enthaltene,
in der Zeichnung nicht dargestellte Differentialverstärkeranordnungen gebildetes
Spannungsfenster, innerhalb dem die dem Anschlußpunkt 1 anliegende Spannung liegen
muß, wenn am Anschlußpunkt 6 Zündimpulse für das jeweilige Triac Trl bzw. Tr2 entstehen
sollen. Am Anschlußpunkt 3 - schließlich steht eine geregelte Brückenspannung von
-7,7 Volt zur Verfügung. Im Ergebnis enthält der integrierte Nullspannungsschalter
B1 bzw. B 2 nicht nur die bereits erwähnte, jeweils sein Spannungsfenster bildende
Differentialverstärkeranordnung, sondern auch einen von ihr in der bereits beschriebenen
Weise geführten Steuersignalgenerator, der die für die Steuerung des jeweiligen
Triacs Tr 1 bzw.
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Tr2 benötigten Steuersignale in Form von Zündimpulsen erzeugt. Im
einzelnen steuert der Nullspannungsschalter B t das Triac Tr 1, der Nullspannungsschalter
B2 das Triac Tr2. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, mindestens das Triac
Tr2, das zwischen dem Heizleiter RH und dem anderen, an die Schaltungsmasse M angeschlossenen
Triac Tr 1 liegt, über einen Ableitwiderstand R 10 mit der Schaltungsmasse Mzu verbinden.
Er hält die Triacstrecke zwischen der Zündelektrode G und der Triacelektrode T1
des Triacs Tor 2 auch dann gesperrt, wenn die Verbindung zwischen beiden Triacs
Tr 1 und Tr2 potentialmäßig offen ist, weil das Triac Tr 1 nicht gezündet wurde.
Im übrigen kann es sich aus Sicherheitsgründen empfehlen, die beiden Klemmdioden
D 1 und D2 zum Schutze des Zündausganges 6 des Nullspannungsschalters B 2 vorzusehen,
wobei die eine Klemmdiode D1 an der Schaltungsmasse M, die andere D2 an der festen
Gleichspannung von - 15 Volt liegt Ferner empfiehlt sich die Verwendung eines hochsperrenden
Typs für das Triac Tor 2. Bezüglich ihrer Anschlußpunkte 4, 7 und 5 sind die beiden
Nullspannungsschalter B 1 und B2 unmittelbar parallel geschaltet.
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Die Brückenspannung von -7,7 Volt an den Anschlußpunkten 3 beider
Nullspannungsschalter B1, B2 dient zur Speisung einer Brückenschaltung mit einem
Istwert-Brückenzweig aus einer Serienschaltung von ohmschen Widerständen R 1, R
1' und R 2 und einem auf der Gerätetemperatur befindlichen, als Temperaturfühler
dienenden temperaturabhängigen Widerstand F zum Abgriff der Istwertspannung, wozu
der temperaturabhängige Widerstand F im Ausführungsbeispiel einen positiven Temperaturkoeffizienten
besitzt und einerseits am negativen Pol der Brückengleichspannung liegt, während
an seinem anderen Ende über den Widerstand R 4 die Istwertspannung abgenommen wird.
Diese Istwertspannung wird dem ersten Nullspannungsschalter B1 1 am Anschlußpunkt
1, dem zweiten Nullspannungsschalter B1 am Anschlußpunkt 2 zugeführt.
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Zwischen den Widerständen R 1 und R2 des Istwert-Brückenzweiges wird
weiter über den Widerstand R 3 eine obere Kontrollspannung dem Anschlußpunkt des
zweiten Nullspannungsschalters B2 zugeführt. Die am Widerstand R 2 des Istwert-Brückenzweiges
abfallende, zwischen den Anschlußpunkten 2 und 8 des zweiten Nullspannungsschalters
B 2 anliegende Spannungsdifferenz bildet somit ein allein aus dem Istwert-Brückenzweig
abgeleitetes Spannungsfenster. Dabei ist der Widerstand R 1 und der des Temperaturfühlers
F jeweils groß im Verhältnis zum Widerstand R 2, so daß die Größe des Spannungsfensters
zwischen den Anschlußpunkten 2 und 8 des Nullspannungsschalters B2 klein im Vergleich
zur Brückenspannung von - 7,7 Volt ist. Die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 erfüllen
lediglich eine glättende bzw. dämpfende Aufgabe. - Außerdem verfügt die Brückenschaltung
über einen Sollwert-Brückenzweig aus einer Serienschaltung ohmscher Widerstände
R 6, R 8, einem Potentiometer P 1 und einem Widerstand R 5. Zwischen den an der
Seite des negativen Brückenspannungspoles liegenden Widerstände R 6 und R 8 wird
eine untere Kontrollspannung abgenommen und dem Anschlußpunkt 2 des unteren Nullspannungsschalters
B 1 zugeführt. Die am Potentiometer P1 abgenommene und dort einstellbare Sollwertspannung
wird dem
Anschlußpunkt 8 des unteren Nullspannungsschalters B1 und
zugleich dem Anschlußpunkt 1 des oberen Nullspannungsschalters B2 zugeführt. Somit
bilden die untere Kontrollspannung und die Sollwertspannung an den Anschlußpunkten
2 und 8 des unteren Nullspannungsschalters B 1 wiederum ein Spannungsfenster, das
aber nun ausschließlich aus dem Sollwert-Brückenzweig abgeleitet ist. Im Ergebnis
wird an beiden Nullspannungsschaltern B 1, B2 jeweils wechselweise in das nur von
einem der beiden Brückenzweige abgeleitete Spannungsfenster die Hauptspannung, also
die Istwert-bzw. Sollwertspannung des jeweils anderen Brückenzweiges eingeleitet.
Dadurch entstehen zwei unabhängige, frei eingestellte Systeme, die nur bei ordnungsgemäßem
Zustand beider Brückenzweige so ineinander greifen, daß das Gerät überhaupt in Betrieb
gehen kann.
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Denn da die Größe nicht nur des Spannungsfensters am Nullspannungsschalter
B 2, sondern auch des Spannungsfensters am Nullspannungsschalter B1 klein im Vergleich
zur Brückenspannung ist, genügen schon entsprechend geringe störungsbedingte Veränderungen
eines der beiden Brückenzweige, um die Spannungsverhältnisse an den Anschlußpunkten
1, 2 und 8 beider Nullspannungsschalter B 1 und B 2 so zu verändern, daß die Zündimpulse
an den Anschlußpunkten 6 beider Nullspannungsschalter B 1 und B 2 verschwinden,
beide Triacs Tor und Tr2 also sperren. Die Größe der hierzu erforderlichen Veränderungen
im Istwert- und Sollwert-Brückenzweig wird von der Größe der beiden Spannungsfenster
bestimmt. Je enger die Spannungsfenster sind, um so geringere Abweichungen von der
vorgegebenen Sollage genügen, die Zündimpulse zum Verschwinden zu bringen. Andererseits
kann die Fenstergröße nicht beliebig klein gemacht werden, wenn in extremen betrieblichen
Situationen das Gerät noch einwandfrei arbeiten sol! Beträgt beispielsweise der
Spannungsabfall über das Potentiometer P 1 entsprechend dem Sollwertbereich zwischen
20"C und der Maximaltemperatur von etwa 60"C 300mV, so müssen beide Fenster jeweils
ca. 600mV groß sein, damit das noch unbeheizte und sich u. U. auf einer Umgebungstemperatur
von nur -200C befindliche Gerät noch einschaltet und arbeitet, wenn die Sollwerttemperatur
maximal auf 60"C eingestellt ist.
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Denn bei dieser Situation darf am Nullspannungsschalter B2 die obere
Kontrollspannung am Anschlußpunkt 8 nicht kleiner als die Sollwertspannung am Anschlußpunkt
1, bzw. am unteren Nullspannungsschalter B 1 die Istwertspannung am Anschlußpunkt
1 nicht kleiner als die untere Kontrollspannung am Anschlußpunkt 2 sein.
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Die geringe Fenstergröße von 600 mV im Vergleich zur Brückenspannung
von -7,7 Volt läßt erkennen, daß in der Tat schon sehr geringe Veränderungen in
einem der Brückenzweige dazu führen, die beiden Spannungsfenster an den Nullspannungsschaltern
B 1 und B2 relativ zu ihren jeweiligen Mittelspannungen am Anschluß.
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punkt 1 soweit zu verschieben, daß die Zündimpulse an den Anschlußpunkten
6 beider Nullspannungsschalter ausgetastet werden. Die einzigen Fälle, in denen
diese Austastung nur an einem der beiden Triacs Trl bzw.
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Tr2 erfolgt, sind die, bei welchen einer der beiden Brückenzweige
gerade im Bereich innerhalb des von ihm abgeleiteten Spannungsfensters aufgetrennt
wird, weil dann die Größe dieses Fensters praktisch gleich der Brückengleichspannung
wird. Dann arbeitet aber wegen der entsprechend starken Spannungsverschiebung der
Mittelspannung im jeweils anderen Nullspannungsschalter die von ihm bewirkte Zündimpulsunterdrükkung
um so sicherer. Wird zum Beispiel zur Erläuterung dieser Umstände der Istwert-Brückenzweig
am Widerstand R2 aufgetrennt, so nimmt die obere Kontrollspannung am Anschlußpunkt
8 des Nullspannungsschalters B 2 praktisch das Potential der Schaltungsmasse M,
die untere Fenstergrenze am Anschlußpunkt 2 praktisch das Potential von - 7,7 Volt
an. Die am Anschlußpunkt 1 des Nullspannungsschalters B2 liegende Sollwertspannung
liegt somit immer innerhalb des Fensters, so daß die Zündimpulse am Anschlußpunkt
6 für das Triac Tr2 weiterhin auftreten. Da jedoch die die untere Fenstergrenze
am Anschlußpunkt 2 des oberen Nullspannungsschalters B2 bildende Spannung die Istwertspannung
ist, die zugleich am Anschlußpunkt 1 des unteren Nullspannungsschalters B1 anliegt,
hat der durch das Auftrennen bei R2 entstehende sofortige Abfall der Istwertspannung
auf - 7,7 Volt zur Folge, daß die Istwertspannung am Anschlußpunkt 1 des unteren
Nullspannungsschalters B1 unter dessen untere Kontrollspannung am Anschlußpunkt
2 fällt, woraufhin die Zündimpulse dieses Nullspannungsschalters für das Triac Tr
1 verschwinden, dieses Triac also nicht mehr zündet und der Strom durch den Heizleiter
RH unterbrochen wird. - Wird andererseits der Sollwert-Brückenzweig am Widerstand
R 8 aufgetrennt, so nimmt die untere Kontrollspannung am Anschlußpunkt 2 des unteren
Nullspannungsschalters B 1 das Potential von -7,7 Volt der Brückengleichspannung
an, während die Sollwertspannung, unabhängig von ihrer Einstellung am Potentiometer
P 1, praktisch das Potential der Schaltungsmasse M annimmt. Entsprechend öffnet
sich das Spannungsfenster zwischen den Anschlußpunkten 2 und 8 des unteren Nullspannungsschalters
B 1, so daß dieser seine Zündimpulse für das Triac Tr 1 ungestört liefert. Jedoch
hat das durch die Auftrennung am Widerstand R 8 bedingte Hochschnellen des Sollwertes
auf das Potential der Schaltungsmasse <R eine entsprechende schnelle Spannungsänderung
am Anschlußpunkt 1 des Nullspannungsschalters B2 zur Folge, so daß die obere Kontrollspannung
am Anschlußpunkt 8 dieses Nullspannungsschalters sofort überschritten wird und die
Zündimpulse für das Triac Tr2 unterdrückt werden, noch ehe sich der Istwert ändern
konnte.