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Regeleinrichtung zu einem nebenschlusserregten elektrischen Generator niederer Spannung Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung zu einem nebenschlusserregten elektrischen Generator niederer Spannung, insbesondere Fahrzeuglichtmaschine, bei welcher Regeleinnichtung ein mit der Feldwicklung des Generators in Reihe liegender Leistungstransistor während des Regelvorganges abwechslungsweise aus einem nur kurzzeitig andauernden Zustand hoher Stromleitung in einen ebenfalls nur kurzzeitigen Zustand geringer Stromleitung durch einen Steuertransistor gebracht wird, der mit seiner Steuerstrecke an einem an die Generatorspannung angeschlossenen nichtlinearen Stromleiter liegt, der bestimmt ist,
wenigstens bis zu einem Höchstwert des Laststromes des Generators bei steigender Generatorspannung einen sich mehr als proportional ändernden Steuerstrom für den Steuertransistor zu liefern.
Regeleinrichtungen dieser Art werden üblicherweise in unmittelbarer Nähe einer als Antrieb für die Generatoren dienenden Brennkraftmaschine angeordnet und sind deshalb einer erheblichen Wärmeeinwirkung ausgesetzt. Die in solchen Regeleinrichtungen verwendeten Transistoren sind jedoch insofern wärmeempfindlich, als ihr innerer Widerstand mit zunehmender Temperatur ihrer die p-n-übergänge enthaltenden, meistens aus Germanium bestehenden Halbleiterteile sehr stark abnimmt.
Wenn man daher keine zusätzlichen Kühleinrichtungen vorsehen will, ist man gezwungen, die Regeleinrichtungen in entsprechender Entfernung von der Brennkraftmaschine oder anderen, eine erhebliche Wärmeentwicklung mit sich bringenden Geräten anzuordnen. Dadurch kann man zwar die von aussen her auf die Temperatur der Regeleinrichtung einwirkenden Einflüsse weitgehend beseitigen, die in der Temperaturempfindlichkeit der verwendeten Halbleiterelemente liegenden Ursachen sind damit jedoch nicht ausgeschaltet.
Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, für den mit der Feldwicklung des Generators in Reihe liegenden Leistungstransistor eine derartige Steuereinrichtung vorzusehen, dass der Transistor auch bei hohen Betriebstemperaturen noch mit Sicherheit vollständig gesperrt werden kann, wenn die Spannung des Generators über ihren Sollwert ansteigt.
Dies kann man erfindungsgemäss dadurch erreichen, dass der zur Steuerung des Leistungstransistors vorgesehene Steuertransistor als Oszillator für Schwingungen von mehr als 1000 Hz geschaltet ist und auf ein aus mindestens einem Gleichrichter, einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes Gleichrichtungsglied arbeitet, das an die Steuerstrecke (Emitter-Basisstrecke) des Leistungstransistors angeschlossen ist und während der beim Regelvorgang jeweils nur kurzzeitig andauernden Schwingungszustände des Steuertransistors eine Sperrspannung für den Leistungstransistor liefert.
In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiele der Erfindung zwei Regeleinrichtungen für eine elektrische Strornversorgungsanlage für Kraftfahrzeuge dargestellt.
Es zeigt: Fig. 1 das Schaltbild der ersten Regeleinrichtung, Fig. 2 eine Stromspannungskennlinie eines Schaltelementes der Regeleinrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 ein Schaubild zur Erklärung der Wirkungsweise der Regeleinrichtung nach Fig. 1.
Fig. 4 zeigt das Schaltbild der zweiten Regeleinrichtung, Fig. 5 ein Schaubild für die mit dieser Regeleinrichtung erreichbaren Erregerströme, Fig. 6 die Stromspannungskennlinie eines in der Einrichtung nach Fig. 4 verwendeten Schaltelementes, und
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Fig. 7 zeigt die Arbeitskennlinie der Einrichtung nach Fig. 4.
Bei beiden Ausführungsbeispielen enthält die elektrische Anlage eine Lichtmaschine G, die durch eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine angetrieben wird, sowie eine elektrische Sammlerbatterie 11, die über eine Minusleitung 10 und eine Plusleitung 12 mit den Klemmen a und b der Lichtmaschine verbunden ist. Die im Nebenschluss erregte Lichtmaschine G hat eine in der Zeichnung mit F angedeutete Feldwicklung, die mit einem ihrer Wicklungsenden an die Minusleitung 10 angeschlossen ist und mit ihrem anderen Wicklungsende an der KolIektorelektrode eines Leistungstransistors TI liegt. Der Emitter des Leistungstransistors ist mit der Plusleitung 12 verbunden.
Bei der Regeleinrichtung nach Fig. 1 ist zur Steuerung des Leistungstransistors T1 ein zweiter Transistor T2 vorgesehen, der mit seiner Emitterelek- trode ebenfalls an der Plusleitung 12 liegt. Seine Basiselektrode ist über eine Zenerd'iode D1 mit dem verstellbaren Abgriff eines Potentiometers P verbunden, das zwischen der Minusleitung 10 und der Plusleitung 12 angeordnet ist. Am verstellbaren Abgriff des Potentiometers kann die Höhe der von, der Lichtmaschine gelieferten und mittels der Regeleinrichtung auf diesem Wert gehaltenen Sollspannung eingestellt werden.
Die Zenerdiode D1 ist in Sperr- richtung an die Basis des Steuertransistors T2 angeschlossen. Sie lässt in dieser Richtung nur einen geringen Strom durch, solange die am Potentiometer P abgegriffene Teilspannung Up unter dem in Fig. 2 angedeuteten Wert UZ bleibt. Wenn die an der Zener- diode D 1 wirksame Spannung diesen Wert überschreitet, nimmt der durch die Diode fliessende Strom sehr rasch zu.
An den Kollektor des Steuertransistors T2 ist die Primärwicklung 15 eines Hochfrequenzübertragers angeschlossen, der auf seinem bei 16 angedeuteten Kern ausser der Primärwicklung noch eine Sekundärwicklung 17 und eine dritte, zur Rückkopplung dienende Wicklung 18 trägt. Diese ist mit einem ihrer Enden an den Emitter des Steuertransistors T2 angeschlossen. Ihr anderes Wicklungsende liegt über einen Kondensator 19 an der Basis des Steuertransistors T2, von der ein Widerstand 20 zur Plusleitung 12 führt. Die Sekundärwicklung 17 des Hochfrequenzübertragers gehört zum Steuerkreis des Leistungstransistors T1. Sie ist mit einem ihrer Wicklungsenden an die Plusleitung 12 angeschlossen.
Ihr anderes Wicklungsende führt zu einem Gleichrichter D2, einer Kristalldiode, deren Anode mit der Basis des Leistungstransistors T1 und einem Belag eines zwischen die Basis und die Plusleitung 1Z eingeschalteten elektrischen Kondensators 22 angeschlossen ist. An die Basis des Transistors T1 ist ausserdem ein Widerstand 23 angeschlossen, der zur Minusleitung 10 führt.
Die Regeleinrichtung nach Fig. 1 arbeitet fol- gendermassen: Wenn die Lichtmaschine G aus dem Stillstand heraus in Umdrehung versetzt wird, so erregt sie sich infolge der in ihren Eisenteilen vorhandenen magnetischen Remanenz zunächst auf eine, wenn auch nur geringe Spannung, die zur Folge hat, dass über ihre Feldwicklung F und den in diesem Falle stromleitenden Leistungstransistor T1 ein kleiner Erregerstrom Je fliesst, der seinerseits die Erregung der Lichtmaschine stark erhöhet, so dass sich die Lichtmaschine bei ausreichender Drehzahl rasch auf ihre Sol:.'span- nunC erregt.
Der Abgriff am Potentiometer P ist so eingestellt, dass die während des vorher beschriebenen Anlaufes der Lichtmaschine gesperrte Zenerdiode D 1 stromleitend wird, sobald die Lichtmaschinen-Klem- menspannung ihren Sollwert überschreitet. Der dann von der Basis des Steuertransistors T2 über die Zener- diode D 1 fliessende Steuerstrom bringt den seither gesperrten Steuertransistor in ein Arbeitsgebiet, in dem er eine verhältnismässig hohe Verstärkung hat.
Sobald der Steuertransistor in dieses Verstärkungsgebiet gelangt, bildet sich über die Primärwicklung 15, die induktiv mit dieser gekoppelte Rückkopplungswicklung 18 und den Kondensator 19 eine selbsterregte, bei etwa 10 000 bis 50 000 Hz liegende elektromagnetische Schwingung aus, die über den Kern 16 auch auf die Sekundärwicklung 17 übertragen wird.
Die in der Sekundärwicklung 17 induzierte hochfrequente Wechselspannung wird durch die Kristalldiode D2 gleichgerichtet und erzeugt an dem Ladekondensator 22 eine Gleichspannung. Die Kristalldiode D2 ist in der durch die Pfeilspitze angedeuteten Richtung stromdurchlässig und ergibt daher an der mit der Basis des Leistungstransistors TI verbundenen Belegung des Kondensators 22 ein höheres Potential als an dessen mit der Plusleitung 12 verbundenen Belegung. Dies hat zur Folge, dass der seither stromleitende Leistungstransistor auch dann vollkommen gesperrt wird, wenn er sich durch Einstrahlung oder Wärmeleitung von aussen her auf einer hohen Temperatur befindet.
Sobald der Transistor T1 gesperrt wird, bildet sich über den zur Feldwicklung F parallel geschalteten Gleichrichter D3 ein Ausgleichstrom aus und der durch die Feldwicklung F fliessende Erregerstrom nimmt demzufolge rasch ab. Mit dem Erregerstrom beginnt auch die an den Bürsten a und b der Lichtmaschine abgenommene Lichtmaschinenspannung zu sinken. Sobald sie um etwa 0,05 bis 0,1 V unter ihren Sollwert von 12,6 V abgefallen ist, gelangt die Zener- diode D I in einen Arbeitsbereich, in dem sie einen hohen Widerstand hat und nicht mehr in der Lage ist, einen Basisstrom Jb zu führen, der dazu ausreicht, den Transistor T2 in einem Gebiet hoher Verstärkung zu halten.
Die selbsterregte Schwingung des Steuertransistors T2 reisst dann ab und der Ladekondensator 22 entlädt sich sehr rasch über den Widerstand 23, so dass der Leistungstransistor TI wieder stromleitend wird. Der inzwischen stark abgefallene Erregerstrom Je steigt dann schnell wieder an und bewirkt, dass die Lichtmaschinenspannung
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ihren Sollwert wieder erreicht. Dann kann das beschriebene Spiel von neuem beginnen.
In Fig. 3 ist der zeitliche Ablauf der vom Steuertransistor T2 erzeugten Schwingung dargestellt. Während der mit t1 bezeichneten, etwa 0,01 bis 0,05 sec dauernden Zeiträume ist der Steuertransistor stark stromleitend und kann dann vermöge seiner erheblichen Verstärkung eine durch die dicht beieinander liegenden Linienzüge 50 angedeuteten Hochfrequenzschwingung erzeugen. Während der mit t2 bezeichneten Zeiten dagegen, die je nach der Belastung des Generators 0,01 bis 0,2 sec lang sind, ist der Steuertransistor gesperrt.
Die Spannung Uc des Konden- sators 22 sinkt daher in diesen Intervallen rasch so weit ab, dass der Leistungstransistor T1 wieder stromleitend werden und die Erregung der Lichtmaschine so stark erhöhen kann, dass die Lichtmaschinenspan- nung wieder steigt.
Der besondere Vorteil der beschriebenen Verwendung eines als Oszillator dienenden Steuertransistors liegt darin, dass die Regeleinrichtung auch bei verhältnismässig hohen Temperaturen arbeitet und weitgehend temperaturunempfindlich ist. Die Temperatureinflüsse können noch stärker vermindert werden, wenn man einen aus Silizium hergestellten Steuertransistor verwendet. Anstelle der in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten Transistoren vom p-n-p-Typ kann man selbstverständlich auch Trtnsistoren vom n-p-n-Typ vorsehen. In diesem Falle ist es jedoch erforderlich, dass die am Ladekondensator 22 durch Gleichrichtung der Hochfrequenzschwingungen erzeugte Gleichspannung ebenfalls als Sperrspannung für den Leistungstransistor wirkt.
Man kann dies dadurch erzielen, dass man die Diode D2 mit ihrer Kathode an die Basis des Leistungstransistors T1 anschliesst, wenn man in dem Schaltbild nach der Zeichnung die Polarität des Generators und der Batterie vertauscht.
Die in Fig.4 in ihrem Schaltbild dargestellte Regeleinrichtung ist zur Zusamenarbeit mit einer Gleichstromlichtmaschine G bestimmt, die von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Brennkraft- maschine eines Kraftfahrzeuges angetrieben wird. Die Lichtmaschine vermag beim Sollwert ihrer Klemmenspannung von 12,6 V einen in Fig. 4 bis 7 der Zeichnung mit JI, bezeichneten Laststrom. von 20 A zu liefern und benötigt dazu einen Erregerstrom Je von etwa 3 A, wenn sie mit einer Drehzahl n von 2000 U/min angetrieben wird. Die für den Sollwert von 12,6 V beim angegebenen Laststrom JL von 20 A erforderliche Erregung beträgt demgegenüber nur 0,5 A, wenn die Antriebsdrehzahl der Lichtmaschine bei 8000 U/min liegt.
Wie man aus den in Fig. 5 dargestellten Kennlinien weiterhin entnehmen kann, muss der Erregerstrom Je bei einer Antriebsdrehzahl von 2000 U/min einen Wert von 1,8 A und bei 8000 U/min einen Wert von 0,2 A haben, falls der Laststrom JL der Lichtmaschine einen sehr niedrigen Wert von etwa 2 A hat. Damit der Leistungs- transistor - wie im vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel - periodisch arbeiten kann, ist er so gewählt, dass er bei einer Kollektorspannung von etwa 1 V einen Höchststrom von 4 A zu liefern vermag.
Ein Grossteil der in der Regeleinrichtung nach Fig. 4 verwendeten Schaltelemente stimmt mit denjenigen des ersten Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 überein. Für diese Schaltelemente sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Ebenso wie dort ist der Steuertransistor T2 als Oszillator geschaltet.
Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel liegt jedoch der die Frequenz der selbsterregten Schwingung bestimmende Kondensator 19 parallel zu der mit dem Kollektor des Steuertransistors verbundenen Primärwicklung 15 des Hochfrequenzüber- tragers, während dessen Rückkopplungswicklung 18 in die Verbindungsleitung zwischen der Basis des Steuertransistors T1 und dem Stromverzweigungs- punkt A eingeschaltet ist, an den im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel eine in ihrer Durchlass- richtung betriebene Kristalldiode D4 angeschlossen ist.
Diese Kristalldiode enthält einen Halbleiterkörper aus hochgereinigtem Germanium, dem zur Erzielung einer negativen (n-) Leitfähigkeit hoch gereinigtes Antimon in einer solchen Menge beigefügt wurde, dass auf je 1015 bis 1016 Germaniumatome 1 Antimonatom entfällt. Das Antimon wirkt als Verunreinigungselement und ergibt einen verhältnismässig niederohmi- gen Halbleiterkörper mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Ohm cm. An dem Germaniumkörper ist mit einer Indiumpille in an sich bekannter Weise ein als Kathode wirkender Anschluss befestigt, der mit dem Abgriff des Potentiometers P verbunden ist.
Die Kristalldiode D4 arbeitet in gleicher Weise wie die Zenerdiode D1 des ersten Ausführungsbeispieles als Sollwertgeber. Sie bestimmt nämlich bei steigender Generatorspannung denjenigen Wert, bei dem der .Steuertransistor T2 stromleitend wird und sich in der anhand des ersten Ausführungsbeispieles beschriebenen Weise über den Hochfrequenztrans- förmator selbsterregt und dadurch den Leistungstransistor T1 in seinen Sperrzustand bringt.
Die Kristalldiode D4 hat eine in Fig. 6 im einzelnen näher dargestellte Stromspannungskennlinie, die bei einem mit Uk bezeichneten Wert der an ihren beiden Anschlüssen wirksamen Spannung U einen stark ausgeprägten Knick hat. Der Wert Uk liegt bei etwa 0,25 V. Dieser Wert wird erreicht, wenn die Klemmenspannung der Lichtmaschine ihren Sollwert von 12,6 V überschreitet. Solange sich die an der Kristalldiode D4 liegende Spannung unterhalb des Wertes Uk befindet, vermag die Kristalldiode nur einen sehr kleinen Strom von weniger als 0,02 A zu führen, der nicht ausreicht, um den Steuertransistor T2 in ein solches Arbeitsgebiet zu bringen, in dem er die für die Selbsterregungsbedingungen erforderliche Verstärkung hat.
Steigt jedoch die Lichtmaschi- nenspannung über ihren Sollwert auch nur geringfügig an, so bringt der dann sehr rasch anwachsende,
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durch die Kristalldiode D5 fliessende Strom den Steuertransistor T2 in sein Selbsterregungsgebiet.
Weiterhin abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel liegt an der Kathode der Kristalldiode D4 ein Widerstand 30, der mit seinem anderen Anschlussende an den Kollektor des Leistungstransistors T1 angeschlossen ist. Ausserdem führt vom Anschluss- punkt A eine zweite Kristalldiode D5 zum Pluspol der bei 11 angedeuteten, mit der Lichtmaschine G zusammenarbeitenden Batterie. In der Verbindungsleitung 12 von der Plusklemme b der Lichtmaschine zum Pluspol der Batterie 11 ist ein Widerstand 32 zwischen dem Anschlusspunkt der Emitterelektrode des Steuertransistors T2 und dem Anschlusspunkt des Potentiometers P angeordnet.
Um bei stillstehender oder ungenügend erregter Lichtmaschine eine Entladung der Batterie in der zum Strompfeil JL entgegengesetzten Richtung zu vermeiden, ist ausserdem eine für einen Höchststrom von 25 A bemessene Germaniumdiode D6 zwischen dem Anschlusspunkt des Potentiometers P und der Plusklemme der Batterie 11 vorgesehen.
Im einzelnen arbeitet die Regeleinrichtung nach Fig.4 ganz ähnlich wie die Regeleinrichtung nach Fig. 1, solange der der Lichtmaschine entnommene Laststrom JL unterhalb seines zulässigen Höchstwertes von 20 A bleibt.
Der zwischen dem Kollektor des Leistungstransistors und dem Verbindungspunkt A liegende Widerstand 30 stellt dabei in besonders wirkungsvoller Weise sicher, dass der Leistungstransistor T1 aus einem Zustand, bei dem er einen hohen Erregerstrom Je über die Feldwicklung F zu führen vermag, sprunghaft in einen anderen Betriebszustand übergeführt wird, sobald die in Fig. 3 angedeuteten impulsförmigen Hochfrequenzschwin- gungszüge einsetzen und den Leistungstransistor zu sperren versuchen.
Umgekehrt kippt der Leistungstransistor wieder sehr rasch in den" zur Steigerung der Lichtmaschinenerregung erforderlichen stromleitenden Ausgangszustand zurück, sobald die Licht- maschinenspannung ihren Sollwert zu unterschreiten versucht und der Steuertransistor T1 daher in der eingangs beschriebenen Weise gesperrt wird.
Dieses sprunghafte Hin- und Herkippen des Leistungstransistors T1 bringt den Vorteil mit sich, dass sowohl für die Dauer t1 der hochfrequenten Schwingungszüge 50 nach Fig. 3 als auch während der zwischen diesen Schwingungszügen liegenden Pausen t2 die am Leistungstransistor T1 entstehende Verlustleistung nur sehr niedrig ist.
Dies hat seinen Grund darin, dass im Sperrzustand des Leistungstransistors zwar eine hohe Spannung an seinem Kollektor liegt, der durch den Transistor fliessende Strom jedoch nur sehr klein ist, während umgekehrt im Betriebszustand hoher Stromleitung der durch den Transistor T1 fliessende Strom J, zwar bis. auf Jt=Jma,=4 A ansteigt, die dabei wirksame Kollektorspannung jedoch einen Wert von etwa 1 bis 1,5 V nicht überschreiten kann und die Kollektorverlustleistung demzufolge ebenfalls niedrig bleibt.
Das Hin- und Herkippen des Leistungstransistors T1 erfolgt mit einer im Vergleich zu den hoch- frequenten Schwingungszügen 50 verhältnismässig langsamen Frequenz, denn die für einen Kippschwin- gungsvorgang benötigten Zeiten t1 + t2 = t,; betragen im Mittel etwa tk = 0,05 bis 0,5 sec.
Die erfor- derderliche Änderung der Lichtmaschinenerregung kommt folgendermassen zustande: a) Bei sehr kleiner Belastung der Lichtmaschine werden die zwischen den Schwingungszügen 50 liegenden Pausen t2 stark verkürzt, während die Zeitabschnitte t1 der Schwingungszüge erheblich verlängert werden.
Der mittlere, in der Feldwicklung F der Lichtmaschine wirksame Erregerstrom hat dann den Wert
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Wenn t1 j- t2 etwa 0,2 sec und t2 = 0,01 sec beträgt, so ergibt sich bei einem Maximalstrom des Leistungstransistors von J ",a, = 4 A ein mittlerer Erregerstrom J", von 0,2 A, der bei Leerlauf und bei einer Antriebsdrehzahl von 8000 U/min nach Fig. 5 die geforderte Sollspannung von 12,6 V ergibt. b) Bei voller Belastung der Lichtmaschine mit 20 A muss der mittlere Erregerstrom bei einer Antriebsdrehzahl von 2500 U/min 3 A betragen.
Damit dieser Mittelwert zustandekommt, muss der Leistungstransistor über 1 @ der Kippschwingungs- zeit tj, = t1 + t2 gesperrt und während des übrigen Teiles jeder Kippschwingung voll stromleitend sein. In diesem Fall darf daher die Dauer t1 der hochfrequenten Schwingungszüge 50 nicht grösser als 0,05 sec sein, wenn tj, unverändert bei 0,2 sec bleibt.
Der oben beschriebene, nur von der Höhe der Klemmenspannung der Lichtmaschine abhängige Regelvorgang wird durch einen anderen Regelvorgang abgelöst, sobald der der Lichtmaschine entnommene Laststrom JL seinen Höchstwert von 20 A erreicht. Der Leitwert des Widerstandes 32 in der Plusleitung 12 ist nämlich so gewählt, dass dann zwischen dem Emitter des Steuertransistors T2 und dem Pluspol der Batterie 11 von dem durch den Widerstand 32 und die Rückstromdiode D6 fliessenden Laststrom ein Spannungsabfall erzeugt wird, der die in gleicher Weise wie die Kristalldiode D4 arbeitende zweite Kristalldiode D5 stark stromleitend macht, so dass diese einen zum Pluspol der Batterie fliessenden Steuerstrom J5 zu führen vermag.
Dieser Steuerstrom bringt den Steuertransistor in sein Verstärkungsgebiet und löst daher die in Fig. 3 angedeuteten Schwingungszüge aus, so dass der Leistungstransistor mehr und mehr gesperrt wird. In Fig. 8 ist in einem Schaubild der Regelkennlinienverlauf der Einrichtung nach Fig.4 dargestellt.
Der durch die Linie 35 angedeutete Zweig der Kennlinie gilt für den Fall, dass die Lichtmaschine
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einen zwischen 0 und 20 A liegenden Laststrom JL liefern muss. Sobald jedoch der Laststrom beispielsweise infolge eines Kurzschlusses in der Batterie oder in einem durch eine Glühlampe L und einen Schalter S in Fig. 4 angedeuteten Verbraucherkreis die Kristalldiode D5 stromleitend macht, fällt die Lichtmaschi- nenspannung in der durch den zweiten Zweig 36 angedeuteten Weise sehr rasch ab, ohne dass die über die Kristalldiode D4 mögliche Spannungsregelung zur Wirkung kommen kann.