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Schaltung zum Erzeugen einer Gleichspannung mittels eines Widerstandselementes mit einer nichtlinearen symmetrischen
Strom-Spannungs-Kennlinie Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Erzeugen einer Gleichspannung mittels eines Widerstandselementes mit einer nichtlinearen, vorzugsweise wenigstens annähernd symmetrischen Strom-SpannungsKennlinie und eines mit diesem in Reihe liegenden Kondensators, wobei der Reihenschaltung eine unsymmetrische Wechselspannung zugeführt und die erzeugte Gleichspannung vom Kondensator festgehalten wird.
Bei den bisher bekannten Schaltungen wurde die dem Element mit der nichtlinearen symmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinie zugeführte unsymmetrische Spannung stets unmittelbar einer besonderen Schaltung entnommen. So z. B. in der USA-Patentschrift Nr. 2, 628,326, in der die unsymmetrische Spannung die in einer Zeilenablenkschaltung erzeugte impulsförmige Spannung ist.
Steht aber eine solche unsymmetrische Spannung nicht zur Verfügung, so kann nach dem Prinzip der Erfindung dennoch eine Gleichspannung mit Hilfe eines solchen Widerstandselementes durch eine Schaltung erhalten werden, die das Merkmal aufweist, dass zur Erzielung der unsymmetrischen Wechselspannung an die Reihenschaltung selbst eine symmetrische Wechselspannung angelegt ist und das Widerstandselement vorgespannt ist.
Einige mögliche Ausführungsformen von Schaltungen nach der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser ist in Fig. l eine Gleichrichterschaltung zum Erzeugen einer stabilisierten Gleichspannung dargestellt, Fig. 2 zeigt an Hand einer Kennlinie den Zusammenhang zwischen der gesamten Gleichspannung V an der in Fig. 2a dargestellten Reihenschaltung de ohmschen und des spannungabhängigen Widerstandes und der Gleichspannung VVDR am spannungsabhängigen Widerstand bei einer zunehmenden Netzspannung Vnet, und Fig. 3 dient, zusammen mit der Kennlinie in Fig. 2, zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1. In Fig. 4 ist die Ausgangsspannung Vr der Schaltung nach Fig. l als Funktion der Netzspannung Vjjet dargestellt, und Fig. 5 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit einer Schaltung nach der Erfindung.
In Fig. l ist die Primärwicklung eines Transformators 1 an die Netzspannung Vnet angeschlossen. Mit der Sekundärwicklung dieses Transformators ist eine übliche Gleichrichterschaltung verbunden, die aus einer Diode 2 und einem Glättungsnetzwerk besteht, welches von einer Drosselspule 3 und zwei Glättungskondensatoren 4 und 5 gebildet wird. Am zweiten Kondensator 5 entsteht daher eine Gleichspannung V, die auf Grund der in Fig. l angegebenenPolung derDiode 2 eine positive Gleichspannung ist. Naturgemäss kann durch Umkehren der Diode 2 eine negative Gleichspannung am Kondensator 5 erhalten werden.
Mit einer Anzapfung 6 der Sekundärwicklung des Transformators 1 ist eine zweite Gleichrichterschaltung verbunden, welche aus einem spannungsabhängigen Widerstand 7, z. B. einem VDR-Widerstand, und einem Kondensator 8 besteht. Normalerweise kann ein solcher spannungsabhängiger Widerstand nur dann als Gleichrichterschaltung wirksam sein, wenn ihm eine unsymmetrische Wechselspannung zugeführt wird.
In der erfindungsgemässen Schaltung ist zur Erzielung der unsymmetrischen Wechselspannung an den spannungsabhängigen Widerstand 7 über einen ohmschen Widerstand 9 eine Vorspannung angelegt, sodass eine Gleichrichtung der der Anzapfung 6 entnommenen symmetrischen Wechselspannung eintritt. Die Wechselspannung zwischen der Anzapfung 6 und Erde ist an sich genau sinusförmig und daher symme-
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trisch gegen Erdpotential, da der Primärwicklung des Transformators 1 eine genau sinusförmige Wechsel- spannung zugeführt wird.
Durch die an den Widerstand 7 angelegte Vorspannung kann erreicht werden, dass die der Schaltung nachFig. l entnehmbareSpannung bei zunehmender Netzspannung Vnet zunimmt, abnimmt oder konstant 5 bleibt.
Dies wird im folgenden erläutert :
Da an dem zwischen der Anzapfung 6 und Erde liegende Teil der Sekundärwicklung des Transforma- tors 1 nahezu keine Gleichspannung abfällt, steht die Gleichspannung V am Kondensator 5 gleichzeitig an der Reihenschaltung des ohmschen Widerstandes 9 und des spannungsabhängigen Widerstandes 7. Diese ) Reihenschaltung mit der an ihr liegenden Gleichspannung V ist deutlichkeitshalber nochmals in Fig. 2a dargestellt, wobei die Gleichspannung am spannungsabhängigen Widerstand 7 mit VVDR bezeichnet ist.
Die Gesamtspannung V und die Spannung VVDR sind in Fig. 2 als Funktion der Netzspannung Vnet aufge- tragen. Dabei nimmt die Gesamtspannung V in proportionalem Verhältnis zu Vnet zu, während die Span- nung VVDR infolge der nichtlinearen Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes 7 bei zunehmender Netzspannung Vnet in stets geringerem Masse zunimmt.
Im vorhergehenden ist die Spannung V positiv vorausgesetzt, so dass der Verbindungspunkt zwischen dem spannungsabhängigen Widerstand 7 und dem Kondensator 8 positiv ist gegenüber dem Verbindungs- punkt zwischen diesem spannungsabhängigen Widerstand und der Anzapfung 6, oder mit andern Worten, die Anzapfung 6 ist negativ gegenüber dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 7 und dem Kondensator 8. Wie oben erklärt, tritt an dem zwischen der Anzapfung 6 und Erde liegenden Teil der Sekun- därwicklung keineGleichspannung auf, so dass die Gleichspannung VVDR gleichzeitig als positive Gleich- spannung V ( ; g = VVDR am Kondensator 8 steht.
Die Vorspannung VVDR bewirkt, dass die Wechselspannung am spannungsabhängigen Widerstand 7, die durch die der Anzapfung 6 entnommene Wechselspannung herbeigeführt wird, nicht symmetrisch zum i Erdpotential schwankt, wie es ohne Vorspannung der Fall wäre. Der Momentanwert der Wechselspannung an der Anzapfung 6 muss z. B. zunächst eine positive Spannung gleich der Spannung VVDR angenommen haben, bevor die Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 8 und dem spannungsab- hängigen Widerstand 7 einen Wert gleich Null erhält.
Dies ist in Fig. 3 näher verdeutlicht, in der die Kurve 10 die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie des spannungsabhängigen Widerstandes 7 darstellt. Bei Abwesenheit einer Vorspannung am spannungsab- hängigen Widerstand 7 würde die Wechselspannung um die vertikale Achse in Fig. 3, d. h. um Erdpoten- tial schwanken. Der Mittelwert des Stromes durch den Kondensator 8 (der Kapazitätswert des Kondensa- tors 8 ist so gross gewählt, dass bei der Frequenz der verwendeten Wechselspannung die Impedanz dieses
Kondensators klein ist gegenüber jedem möglichen Widerstandswert des spannungsabhängigen Widerstan- des 7, so dass nahezu keine Wechselspannung am Kondensator 8 auftritt), ist dann gleich Null, so dass dem Kondensator 8 durchschnittlich keine Ladung vom Wechselstrom zugeführt wird. Eine Gleichrichter- wirkung tritt daher in diesem Fall nicht auf.
Wird dagegen am spannungsabhängigen Widerstand 7 eine Vorspannung angelegt, so schwankt die
Wechselspannung nicht mehr um Erdpotential, sondern um das durch die Vorspannung bedingte Potential.
Wie oben erklärt, ist die Spannung an der Anzapfung 6 negativ gegenüber dem Verbindungspunkt des Wi- derstandes 7 und des Kondensators 8. Da am Kondensator 8 nahezu keine Wechselspannung auftritt, ist die Vorspannung VVDR als negative Vorspannung für den spannungsabhängigen Widerstand 7 zu betrach- ten.
So ist in Fig. 3 vorausgesetzt, dass bei einer Wechselspannung Vi am spannungsabhängigen Wider- stand 7 mit einem Scheitelwert von Vi Volt eine Vorspannung VVDR = V01 Volt vorhanden ist. Die Wech- selspannung Vl mit dem Scheitelwert Vi schwankt daher um einen durch die Linie 11 wiedergegebenen
Wert Vol.
Infolge der Vorspannung V01 allein würde ein Gleichstrom loi fliessen, infolge der angelegten
Wechselspannung Vl wird jedoch gleichzeitig ein Wechselstrom 11 durch den spannungsabhängigen Wider- stand 7 fliessen.
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durch das Anlegen der Vorspannung VVDR = V0l kann die Wechselspannung VI mit dem Scheitelwert Vl am Kondensator 8 eine negative Spannung Vgg aufbauen, die durch den negativen Strom-Mittelwert 1 herbeigeführt ist. Diese negative Spannung Vg8 verringert die am Kondensator bereits vorhandene positive Gleichspannung Vg..
Dass die Spannung Vg8 tatsächlich von der Spannung Vc8 subtrahiert werden muss, lässt sich auch wie
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folgt einsehen. Wenn die Anzapfung 6 positiv gegen die Erde ist, hat der Wechselstrom die Neigung, von der Anzapfung 6 über das Widerstandselement 7 und den Kondensator 8 nach Erde zu fliessen. Dies ist ein positiv gerichteter Strom, der der oberen Platte des Kondensators 8 positive Ladung zuführt.
Der Strom 10 infolge der Gleichspannung V ist von der Drosselspule 3 her über den ohmschen Widerstand 9, den spannungsabhängigen Widerstand 7 und die Anzapfung 6 nach Erde gerichtet. Der Strom Io und der positive Teil des Wechselstromes I sind also im spannungsabhängigen Widerstand 7 entgegengesetzt gerichtet und wirken einander entgegen.
Ist die Anzapfung 6 negativ gegen Erde, so sind der Wechselstrom und der Strom 10 im spannungsabhängigen Widerstand 7 gleichgerichtet, und 10 und der negative Teil des Wechselstromes 1 unterstützen einander. Der negative Teil des Wechselstromes ist also grösser als der positive Teil, so dass durchschnittlich negative Ladung zugeführt wird. Die positive Ladung infolge der Vorspannung Vc8 wird daher herabgesetzt.
Aus dem vorhergehenden folgt, dass die Wirkung unverändert bleibt, wenn der Kondensator 8 und der spannungsabhängige Widerstand 7 gegenseitig vertauscht werden. Zwar ist in diesem Falle der positive Teil des Wechselstromes durch die Reihenschaltung des Kondensators 8 und des Widerstandselementes 7 vorherrschend, aber dieser wird auch jetzt wieder die Neigung haben, die von der Vorspannung Vg herbeigeführte Ladung zu verringern.
Solange die Spannung V verhältnismässig gering ist, nimmt, wie aus Fig. 2 ersichtlich, bei zunehmender Gleichspannung V die Spannung V VDR am spannungsabhängigen Widerstand 7 in stärkerem Masse zu als die Spannung V - VVDR am ohmschen Widerstand 9. Daraus folgt, dass bei wenig zunehmender Spannung V die Vorspannung VVDR schneller zunimmt und daher auch die positive Spannung VVDR = Vc8 am Kondensator 8 schnellerzunimmt als die negative Spannung Vgg, die durch Gleichrichtung der Wechselspannung zwischen der Anzapfung 6 und Erde mit Hilfe des spannungsabhängigen Widerstandes 7 und des Kondensators 8 entsteht ; denn es muss zunächst eine gewisse Vorspannung VVDR aufgebaut sein, bevor eine Gleichrichtung durch den zuletztgenannten Teil der Schaltung auftritt.
Bei weiterer Zunahme von V aber nimmt VVDR, und also Vcg, in stets geringerem Masse zu (s. Fig. 2), die gleichgerichtete Spannung Vgg jedoch in stets stärkerem Masse. Dies ist an Hand der in Fig. 3 dargestellten Wechselspannungen V1, V2 und V3 nachweisbar, deren Scheitelwerte \11, \12 und V3 sind. Die von diesen Wechselspannungen herbeigeführten Ströme, können am besten an Hand eines Zahlenbeispiels berechnet werden. Es ist aber einleuchtend, dass sich die angegebenen Zahlenwerte nur auf ein spezielles Beispiel beziehen und die Schaltung auch bei einer andern Bemessung der Einzelteile eine ähnliche Wirkung aufweist.
Die Spannung am spannungsabhängigen Widerstand 7 ist durch VVDR = CI ss gegeben ; im gegenständlichen Fall ist B = 0, 2 und C = 200 Volt/Amp ss. Der Widerstand 9 hat einen Wert von 100 kOhm.
Wird angenommen, dass die Anzapfung 6 eine Mittelanzapfung ist, so ist die Amplitude der Wechselspannung an dieser Anzapfung die Hälfte der Amplitude der Wechselspannung an der ganzen Sekundärwicklung des Transformators 1. Weiterhin wird angenommen, dass Spitzengleichrichtung mittels der Diode 2 und des zugeordneten Glättungsnetzwerkes auftritt.
Mit diesen Annahmen können die in nachstehender Tabelle angegebenen Werte für Ströme und Spannungen berechnet werden.
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<tb>
<tb> in <SEP> Volt <SEP> in <SEP> Volt <SEP> in <SEP> Volt <SEP> in <SEP> mA
<tb> V <SEP> #1 <SEP> V01 <SEP> I01
<tb> 25, <SEP> 0 <SEP> 12, <SEP> 5-23, <SEP> 0-0, <SEP> 02 <SEP>
<tb> V2 <SEP> V02 <SEP> 102
<tb> 32, <SEP> 6 <SEP> 16, <SEP> 3 <SEP> 27, <SEP> 6-0, <SEP> 05 <SEP>
<tb> V3 <SEP> V03 <SEP> 103
<tb> 41,7 <SEP> 20, <SEP> 8-31, <SEP> 7-0, <SEP> 1 <SEP>
<tb>
Die in dieser Tabelle angegebenen Werte sind (mit Vernachlässigung des Wechselspannungsabfalls am grossen Kondensator 8) in Fig. 3 aufgetragen.
Dabei ergibt sich, dass der von einer Wechselspannung Vi mit dem Scheitelwert VI herbeigeführte Wechselstrom 11 einen minimalen negativen Wert von-0, 01 mA
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Durch eine solche Wahl des Widerstandes 9, dass sein ohmscher Wert klein ist gegenüber dem Wert des Widerstandselementes 7 bei verhältnismässig kleiner Gleichspannung V, jedoch gross ist gegenüber
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diesem Bereich erfüllt werden kann.
Ist daher das Verhältnis zwischen dem Widerstandsteil R1 des Widerstandes 9 zwischen der Anzap- fung 13 und dem Kondensator 8 und dem Widerstandsteil R2 zwischen der Anzapfung 13 und der Drossel- spule 3 gleich dem Verhältnis zwischen der Spannungsänderung l : 1 V der Spannung V und der Spannungs- änderung AVrl der Spannung Vji, so ist im erwähnten Bereich As= = 0. Mit andern Worten, in diesem
Falle ist im erwähnten Bereich die entnommene Gleichspannung V= konstant.
Auch kann die Anzapfung 13 derart gewählt werden, dass die Spannung V= bei zunehmender Netz- spannung abnimmt (Anzapfung 13 näher am Verbindungspunkt des Widerstandes 9 und des Kondensators 8) oder bei zunehmender Netzspannung zunimmt (Anzapfung 13 näher am Verbindungspunkt des Widerstan- des 9 und der Drosselspule 3).
Es ist einleuchtend, dass durch Umkehrung der Diode 2 eine resultierende negative Spannung Vr mit einem ähnlichen Verlauf wie durch die Kurve 12 dargestellt erreicht werden kann.
Eine Anwendungsmöglichkeit für eine Schaltung nach der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Anwendung betrifft die Stabilisierung einer Zeilenablenkschaltung in einem Fernsehempfänger. Die Zei- lenablenkschaltung selbst besteht aus einer Ausgangsröhre 14, einer Reihenspardiode 15, einem Zeilen- ausgangstransformator 16, einer Zeilenablenkspule 17, einem zum Reihenspardiodenkreis gehörigen Kon- densator 18 und einem Hochspannungsgleichrichter 19. Dem Steuergitter der Röhre 14 wird eine Steuerspannung 20 zugeführt, so dass durch die Ablenkspule l v ein sägezahnförmiger Strom fliesst und an dieser Spule während des Rückschlags des sägezahnförmigen Stromes eine impulsförmige Spannung entwickelt wird.
Die impulsförmige Spannung, die an sich als eine unsymmetrische Spannung zu betrachten ist, wird in bekannter Weise mittels eines weiteren spannungsabhängigen Widerstandes 21 gleichgerichtet. Dazu wird die impulsförmige Spannung über die Parallelschaltung eines Kondensators 22 und eines Widerstandes 23 dem spannungsabhängigen Widerstand 21 zugeführt. Auf diese Weise wird eine negative Gleichspannung erzeugt, die über den Ableitwiderstand 24 das Steuergitter der Röhre 14 erreicht.
Obwohl der Teil der Schaltung mit dem spannungsabhängigen Widerstand 21, dem Widerstand 23 und dem Kondensator 22 zum Erzeugen der negativen Steuergitterspannung bei Änderung der Hochspannungsbelastung des Zeilenablenkkreises und bei Änderung der Speisespannung + Vb (die gleichfalls durch Gleichrichtung aus der Netzspannung Vnet abgeleitet wird) bereits eine Stabilisierungswirkung hat, ist die Stabilisierungswirkung bei Änderungen der Speisespannung Vb unzulänglich.
Dies ist auf den Umstand zurückzuführen, dass die Speisespannungsänderung nicht nur über die sich ändernde Spannung am Kondensator 18 ihren Einfluss auf die Zeilenablenkschaltung ausübt, sondern auch über die Schirmgitterspannung V g2 der Röhre 14 ; denn die Stabilisierung bewirkt, dass der Anodenspitzenstrom der Röhre 14 konstant gehalten wird. Folglich wird der mittlere Anodenstrom und auch der mittlere Schirmgitterstrom nahezu konstant gehalten. Ein konstanter Schirmgitterstrom bedeutet aber einen konstanten Spannungsabfall am Schirmgitterwiderstand 25. Nimmt nun z. B. die Speisespannung Vb zu, so erhöht sich die Schirmgitterspannung Vg2 prozentuell in stärkerem Masse, und dies hat Einfluss auf den Anodenstrom.
Zur Beseitigung des Einflusses der Schirmgitterspannung Vg2 ist in die Zeilenablenkschaltung nach Fig. 5 die aus dem spannungsabhängigen Widerstand 7. dem Kondensator 8 und dem Widerstand 9 bestehende Schaltung nach der Erfindung aufgenommen. Das Ganze wird von einer Wechselspannungsquelle 26 gespeist, welche die Wechselspannungsquelle, welche durch den Teil der Transformatorwicklung zwischen der Anzapfung 6 und Erde in der Schaltung nach Fig. l gebildet wird, ersetzt. Der Kondensator 8 ist über den Trennwiderstand 27 mit dem spannungsabhängigen Widerstand 21 verbunden und weiterhin über den getrennten Glättungskondensator 28 an Erde gelegt. Ist der Brummanteil (Welligkeit) der am Kondensator 8 erzeugten Gleichspannung Vr klein genug, so kann der Kondensator 28 weggelassen werden.
Bekanntlich besteht die Spannung VB am Kondensator 18, die in der Grössenordnung von 900 bis 1000 Volt sein kann, aus einem Teil Vc, der gleich ist der Spannung an der Ablenkspule 17 während des Hinlaufes des sägezahnförmigen Stromes durch diese Spule, und einem Teil V'b'der nahezu gleich der Speisespannung Vb ist. Wenn sich daher infolge einer Änderung der Netzspannung die Spannung Vb ändert, ändert sich auch Vg. An Stelle der dargestellten Spannungsquelle 26 kann die Wechselspannung auch un-
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mittelbar dem Netz entnommen werden.
Der Widerstand 9 muss dabei derart gewählt sein, dass bei der verhältnismässig grossen Spannung VB (VB = Vb + Vc > Vb) die positive Spannung Vrl am Kondensator 8 bei der nominalen Netzspannung Vnom-auf den abfallenden Zweig der Kurve 12 in Fig. 4 eingestellt ist.
Ausserdem muss die positive Spannung Vrl einen solchen Wert haben, dass sie zusammen mit der negativen Spannung, die mittels des spannungsabhängigen Widerstandes 21 erzeugt wird, eine resultierende negative Steuergitterspannung ergibt, die bei der nominalen Netzspannung die Röhre 14 gerade den gewünschten Anodenstrom führen lässt.
Nimmt die Netzspannung V net zu, so nimmt Yrl ab, und demnach nimmt die resultierende negative Steuergitterspannung für die Röhre 14 zu. Auf diese Weise kann der Einfluss der zunehmenden Schirmgitterspannung Vg2 ausgeglichen werden.
Bei abnehmender Netzspannung tritt naturgemäss das Umgekehrte auf.
Auf diese Weise ist es daher möglich, die Zeilenablenkscl1altung sowohl hinsichtlich der Änderungen der Hochspannungsbelastung, die an die Kathode der Diode 19 angeschlossen ist und von der Bildwiedergaberöhre gebildet wird, als auch hinsichtlich der Netzspannungsänderungen zu stabilisieren. Die Stabilisierung hinsichtlich der Änderungen der Hochspannungsbelastung geht zurück auf die Wirkung des spannungsabhängigen Widerstandes 21 mit den zugehörigen Elementen. Hinsichtlich der Netzspannungsänderungen wird die Stabilisierung im wesentlichen durch die Schaltung nach der Erfindung und im übrigen durch den spannungsabhängigen Widerstand 21 mit den zugeordneten Schaltelementen bedingt.
Obzwar die Schaltung nach Fig. 5 für eine Zeilenablenkschaltung beschrieben worden ist, kann die Schaltung nach der Erfindung naturgemäss auch in jeder andern Schaltung eingebaut werden, in der eine negative oder positive Spannung für Stabilisierungszwecke erforderlich ist.
Die Schaltung nachFig. l kann auch in Fällen, wo, wenn eine konstante Gleichspannung notwendig ist, direkt Anwendung finden. Die konstante Gleichspannung kann der Anzapfung 13 in Fig. l entnommen werden.
Das Widerstandselement 7 mit einer nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie braucht nicht immer als spannungsabhängiger Widerstand ausgebildet zu sein. Auch ein Widerstandselement mit einem stark negativen Temperaturkoeffizienten ist zu diesem Zweck verwendbar. In diesem Falle muss die Frequenz der verwendeten Wechselspannung so niedrig liegen, dass die Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, die meist träge sind, der Wechselspannung folgen können. In der Schaltung nach Fig. 5 kann das Element 7 auch eine Diode sein, deren Anode mit dem Kondensator 8 und deren Kathode mit der Quelle 26 verbunden ist.
PA TENT ANSPRUCHE :
1. Schaltung zum Erzeugen einer Gleichspannung mit Hilfe eines Widerstandselementes mit einer nichtlinearen symmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinie und eines mit diesem in Reihe liegenden Kondensators, wobei der Reihenschaltung eine unsymmetrische Wechselspannung zugeführt wird und die erzeugte Gleichspannung vom Kondensator festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung der unsymmetrischen Wechselspannung an die Reihenschaltung selbst eine symmetrische Wechselspannung angelegt ist und das Widerstandselement vorgespannt ist.
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