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Die
Erfindung betrifft eine kapazitive Näherungssensoranordnung mit
einer durch eine Abschirmelektrode gegen Masse abgeschirmte Sensorelektrode,
wobei die Sensorelektrode mit dem Eingang eines Verstärkers und
die Abschirmelektrode mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden sind.
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Eine
derartige Näherungssensoranordnung ist
beispielsweise aus der
DE
101 31 243 C1 bekannt geworden.
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Aus
der
DE 196 23 969
A1 ist ein Näherungsschalter
mit einer Sensorelektrode und einem die Sensorelektrode mit einem
Wechselspannungssignal beaufschlagenden Oszillator bekannt, dessen Ausgangssignal
demoduliert einem Schwellwertschalter zugeführt wird, wobei der Schaltabstand
des Näherungsschalters
einstellbar ist.
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Aus
der
EP 0 899 882 A1 ist
eine Schaltungsanordnung für
einen kapazitiven Schalter mit einem Oszillator und einer Flächenelektrode
bekannt, deren Kapazität
sich bei Annäherung
eines geerdeten Körpers ändert, wobei
der Oszillator bei Annäherung
eines geerdeten Körpers
an die Flächenelektrode
mit unveränderter
Amplitude und Frequenz weiterschwingt, während die Schaltungsanordnung
den auf die Flächenelektrode
fließenden
Verschiebestrom erfasst und in ein die Betätigung des kapazitiven Schalters
anzeigendes Signal umsetzt.
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Die
in der
DE 101 31 243
C1 beschriebene Anordnung ist jedoch im Wesentlichen für Anwendungen
geeignet, bei denen die Mechanik der Sensoren und die Elektronik
nahe beieinander angeordnet sind. Es gibt Anwendungen, wie beispielsweise
in Walzwerken, bei denen stabförmige
Sensoren gefordert werden. Es sind größere Entfernungen zwischen der
Mechanik der Sensoren und der Elektronik einzuhalten, weil am Ort
der Mechanik höhere
Temperaturen herrschen können
als die Elektronik verträgt.
Außerdem
ist der Einbauraum in Walzwerken beschränkt. Die in der
DE 101 31 243 C1 beschriebenen
Maßnahmen
zur Störungsunterdrückung sind
für diese
Anforderungen unzweckmäßig. Außerdem sind
die Sensoren bei dieser Anwendung so exponiert angeordnet, dass Schutzmaßnahmen
gegen elektrostatische Entladungen getroffen werden müssen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine kapazitive Näherungssensoranordnung
anzugeben, die auch bei voneinander entfernt liegenden Sensoren
und Elektronik störungsfrei
arbeitet.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
eine kapazitive Näherungssensoranordnung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die
Wirkung der Ausgangsanschlusskapazität, beispielsweise der Source-Kapazität, wenn
als Eingangstransistor ein Feldeffekttransistor verwendet wird,
oder der Emitterkapazität,
wenn als Eingangstransistor ein Bipolartransistor verwendet wird,
zu beseitigen.
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Nähert sich
eine Person oder ein elektrisch leitfähiger Gegenstand der Sensorelektrode,
so ändert
sich deren Kapazität
gegenüber
der Umgebung. Die Sensorelektrode kann mit einer Wechselspannung über eine
große
Impedanz beaufschlagt sein. Die Annäherung eines Gegenstands wird
dadurch detektiert, dass die Amplitude des Sensorsignals abnimmt.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Spule derart dimensioniert ist, dass
die Spule mit der Ausgangsanschlusskapazität einen Schwingkreis bei einer
vorgegebenen Resonanzfrequenz bildet. Je nach Güte des Schwingkreises ist es
so möglich,
die Wirkung der Ausgangsanschlusskapazität vollständig zu beseitigen. Im Prinzip
kann die Wechselspannung am Ausgangsanschluss auf diese Weise sogar
höher werden
als diejenige am Steueranschluss. Vorzugsweise ist die Folgeschaltung,
die das am Ausgangsanschluss anliegende Signal weiterverarbeitet,
mit einer hohen Eingangsimpedanz ausgestattet.
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Durch
das Resonanzverhalten wird die ursprünglich breitbandige Schaltung
schmalbandig. Dies ist erwünscht,
da dadurch ein wirkungsvoller Schutz vor elektrischen Störungen aus
der Umgebung erreicht wird. Es ist auch günstig, diese Selektivität wenigstens
teilweise schon in der Eingangsstufe, d. h. am Eingangstransistor,
zu realisieren, weil dadurch Übersteuerungen
durch Störungen
mit dem resultierenden nichtlinearen Verhalten weniger wahrscheinlich
werden.
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Alternativ
kann die Spule parallel zur Ausgangsanschlusskapazität geschaltet
werden. Zur galvanischen Trennung von Steuer- und Ausgangsanschluss
wird vorteilhafterweise ein Kondensator mit vorzugsweise großer Kapazität in Serie
mit der Spule angeordnet.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann ein weiterer in Serie zu dem Eingangstransistor geschalteter
zweiter Transistor vorgesehen sein, dessen Steueranschluss über einen
Kondensator mit dem Ausgangsanschluss des Eingangstransistors verbunden
ist. Durch diese Maßnahme
wird ein so genanntes „Bootstrapping” realisiert.
Dadurch wird die Wirkung der Kapazität zwischen Steueranschluss und
Ausgangsanschluss (Gate-Drain-Kapazität im Falle eines Feldeffekttransistors)
verringert oder gar beseitigt.
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Wie
bereits erwähnt,
kann als Eingangstransistor ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor
verwendet werden.
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Störeinflüsse können weiterhin
dadurch wirkungsvoll unterbunden werden, dass der Eingangsbereich
des Verstärkers
von einer Abschirmung umgeben ist, die mit dem Potenzial der Abschirmelektrode
verbunden ist. Insbesondere ist es dadurch möglich, zur Auswertung kleinster
Kapazitätsänderungen an
der Sensorelektrode den Verstärker
mit möglichst kleiner
Eingangskapazität
zu versehen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine mit
Abstand zur Sensorelektrode angeordnete Überwachungselektrode vorgesehen
sein, die über
einen Schalter und ein Koaxialkabel mit einem Gleichspannungspotenzial
verbunden ist, wobei die Abschirmung des Koaxialkabels mit dem Potenzial
der Abschirmelektrode verbunden ist. Die Überwachungselektrode dient
der Überprüfung der Funktion
der Näherungssensoranordnung.
Der Schalter erzeugt ein Rechtecksignal, vorzugsweise mit einer
deutlich niedrigeren Frequenz als die Frequenz der an der Sensorelektrode anliegenden
Wechselspannung. Die Frequenz könnte
prinzipiell aber auch gleich oder größer als die Wechselspannungsfrequenz
sein. Solange die Überwachungselektrode
nicht mit einem Potenzial verbunden ist, stellt sie nur eine kleine
Kapazität
gegenüber
der Sensorelektrode dar, da sie deren Potenzialschwankungen folgt.
Wird jedoch die Überwachungselektrode
mit Rechteckimpulsen, beispielsweise mit einer im Vergleich zur
Frequenz der an der Sensorelektrode anliegenden Wechselspannung niedrigen
Frequenz, auf ein Gleichspannungspotenzial geschaltet, so hat die
an der zugehörigen
Steuerelektrode gemessene Spannung die Form eines mit der Frequenz
des Rechteckimpulssignals amplitudenmodulierten Signals mit der
Trägerfrequenz
der Wechselspannung an der Sensorelektrode. Eine Auswerteschaltung
hat dann dafür
zu sorgen, dass dieses spezielle amplitudenmodulierte Signal der Sensorelektrode
sicher erkannt wird und den Schalter entsprechend ansteuert. Um
auszuschließen, dass
Störsignale
die Messung stören,
ist es vorteilhaft, wenn die Abschirmung des Koaxialkabels mit dem
Potenzial der Abschirmelektrode verbunden ist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die durch die Überwachungselektrode verursachten
Schwankungen des Signals der Sensorelektrode ähnlich groß sind, wie die zu entdeckenden Änderungen
dieses Signals bei der Annäherung
einer Person oder eines Gegenstands. Auf diese Weise ist eine sichere Überwachung
der Funktion der gesamten Anordnung möglich. Die zu überwachende
Beeinflussung des Sensorsignals ist also vorzugsweise sehr klein.
Deshalb wird eine Elektrode geeigneter Geometrie vorgeschlagen.
Ein diskreter Kondensator ist ebenfalls möglich.
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Der
Schalter kann als Schaltung mit „Offenem Kollektor” (Open-Collector)
ausgebildet sein. Die Wirkung dieses Schalters bzw. der Schaltung könnte in
unerwünschter
Weise auf den Ausgang des Verstärkers
wirken, wenn die Abschirmungen der beiden Koaxialkabel direkt verbunden
wären.
Die Potenziale der Abschirmungen werden daher vorzugsweise mit getrennten
Verstärkern
erzeugt. Der Sinn der Überwachungselektrode
besteht darin, kapazitiv nur auf die Sensorelektrode zu wirken.
Jede andere Einkopplung sollte vermieden werden.
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Die
Näherungssensoranordnung
ist besonders zum Einsatz in Walzwerken geeignet, wenn die Sensorelektrode
und/oder die Abschirmelektrode stabförmig ausgebildet sind. Dabei
können
die Elektroden eine Länge
von etwa einem Meter aufweisen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, wenn an zumindest ein Koaxialkabel eine Diodenanordnung
angeschlossen ist. Durch diese Maßnahmen kann die Schaltung
gegen Beschädigungen
durch statische Ladungen geschützt
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung,
anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten
zeigt, sowie aus den Ansprüchen.
Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßgeblich
zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten
deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale
können
je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten
der Erfindung verwirklicht sein.
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In
der schematischen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
gezeigt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Näherungssensoranordnung;
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2 eine
Querschnittsdarstellung der Sensorelektroden;
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3 eine
erste Ausführungsform
eines Eingangs eines Verstärkers
der Schaltskizze der 1;
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4 eine
zweite Ausführungsform
eines Eingangs eines Verstärkers
der Schaltskizze gemäß 1.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Näherungssensoranordnung 10 mit
einer stabförmigen Sensorelektrode 101,
die von einer Abschirmelektrode 102 gegen Masse abgeschirmt
ist. Dazu ist die Sensorelektrode 101 mit dem Eingang des
Verstärkers 104 verbunden.
Der Verstärker 104 ist
nicht invertierend und hat einen Verstärkungsfaktor von vorzugsweise
etwas mehr als 1. Die Abschirmelektrode 102 ist mit dem
Ausgang desselben Verstärkers 104 verbunden.
Dadurch macht die Abschirmelektrode 102 alle Potenzialschwankungen
der Sensorelektrode 101 mit und wirkt somit selbst nicht
als Kapazität gegenüber der
Sensorelektrode 101. Die Sensorelektrode 101 wird
beispielsweise über
eine hohe Impedanz 103 mit einer Wechselspannung U0 mit der Frequenz f0 beaufschlagt.
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An
der Elektrode 101 liegt die Spannung U2 =
U1 × Xe/(X3 + Xe), wenn X3 die Impedanz 103,
Xe die Impedanz der Elektrode 101 gegen
den zu erkennenden Gegenstand oder die Person bedeutet. Wenn sich
ein Körper
der Sensorelektrode 101 nähert, nimmt Xe ab,
sodass U2 sinkt.
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Alternativ
kann der Verstärker 104 so
rückgekoppelt
werden, dass er gerade schwingt. Die Amplitude der Schwingung reagiert
besonders stark auf eine Änderung
der Kapazität
der Sensorelektrode. Es kann auch zum Abriss der Schwingung kommen. Bei
dieser Anordnung ist tatsächlich
die Resonanz der Spule mit der Source-Gate-Kapazität frequenzbestimmend,
d. h. die Frequenz wird so gewählt, dass
eine vorgegebene Spule Resonanz ergibt (es wird nicht die Spule
in Abhängigkeit
einer vorgegebenen Frequenz f0 gewählt). Diese
Möglichkeit
beaufschlagt auch die Sensorelektrode mit einem Signal, nur werden
der Oszillator zur Generierung von f0 und die
hohe Impedanz 103 nicht benötigt. Die Abhängigkeit
der oben genannten Spannung U2 wird durch
den Wegfall von X3 verstärkt.
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Im
Bereich der Sensorelektrode 101 ist eine Überwachungselektrode 106 angeordnet.
Die Fläche der Überwachungselektrode 106 und
ihre Entfernung zur Sensorelektrode 101 wird entsprechend
der maximal zulässigen
Annäherung
eines Körpers
gewählt. Die Überwachungselektrode 106 ist über einen Schalter 107,
der als Schalter mit Offenem Kollektor ausgeführt sein kann, mit einem Gleichspannungspotenzial
U1 verbunden. Der Schalter 107 wird
mit einem Rechteckimpulssignal der Frequenz f1 angesteuert,
die sehr viel kleiner ist als die Frequenz f0 der Spannung
U0, mit der die Sensorelektrode 101 gespeist
wird. Während
der Rechteckimpulse wirkt zwischen den Elektroden 101 und 106 eine
Kapazität. Dies
führt dazu,
dass die Spannung U2 an der Sensorelektrode 101 die
Form eines mit f1 amplitudenmodulierten
Signals der Trägerfrequenz
f0 aufweist.
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An
den Verstärker 104 ist
eine Vorrichtung 20 angeschlossen. Durch die Vorrichtung 20 kann
das Ausgangssignal des Verstärkers 104 bearbeitet und/oder
ausgewertet werden. Durch das Ausgangssignal der Vorrichtung 20 kann
ein Relais 80 geschaltet werden, dessen Spule mit einem
Potenzial U3 verbunden ist, das derart gewählt wird,
dass das Relais 80 nur dann aktiviert ist, wenn die Spannung
an der Sensorelektrode 101 nicht zu stark abgefallen ist, was
auf eine zu große
Annäherung
eines Körpers hinweisen
würde.
In der Auswerteschaltung 100 ist außerdem ein Gleichrichter 70 vorgesehen,
der dann erforderlich ist, wenn die Ausgangsspannung der Vorrichtung 20 über das
Potenzial U3 ansteigt, wodurch das Relais 80 auch
bei extremer Annäherung eines
Körpers
wieder schalten würde.
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Über einen
weiteren Gleichrichter 30, einen Kondensator 40 und
eine Spule 50 wird ein weiteres Relais 60 mit
Arbeitskontakt angesteuert. Die Kapazität 40 und die Spule 50 bilden
einen Serienschwingkreis mit der Resonanzfrequenz f1.
Ist der Kontakt des Relais 60 geschlossen, bedeutet das,
dass die Näherungssensoranordnung
auf eine kapazitive Änderung
in ihrer Umgebung wie vorgesehen reagiert. Es ist außerdem ein
weiterer Kondensator 90 vorgesehen, der bewirkt, dass die
Induktivität
der Relaisspule nicht Bestandteil des Schwingkreises wird. Die Kapazität 40 sorgt
dafür,
dass nicht durch Ausfall des Elements 20 ein fehlerhafter
Gleichspannungspegel als ein Signal missinterpretiert wird. Der
Gleichrichter 30 ist erforderlich, falls das Relais 60 selbst
nicht mit einem Wechselstrom der Frequenz f1 betrieben
werden kann. Ist das Relais jedoch mit der Frequenz f1 betreibbar,
so kann seine Induktivität
einen Teil des Schwingkreises bilden. Die Elemente 30, 50 und 90 könnten dann
entfallen.
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Der 1 ist
weiterhin zu entnehmen, dass die Sensorelektrode 101 über ein
Koaxialkabel 110 mit dem Verstärker 104 verbunden
ist. Die Abschirmung 111 des Koaxialkabels 110 ist
mit der Abschirmelektrode 102 verbunden. Insbesondere ist
die Abschirmelektrode 102 über die Abschirmung 111 des Koaxialkabels 110 mit
dem Ausgang des Verstärkers 104 verbunden.
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Auch
die Überwachungselektrode 106 ist
an ein Koaxialkabel 112 angeschlossen. Die Abschirmung 113 des
Koaxialkabels 112 ist über
einen Verstärker
mit dem Verstärkungsfaktor
a = 1 an das Potenzial der Abschirmelektrode 102 angeschlossen, sodass
die Mäntel 111, 113 dasselbe
Potenzial aufweisen, aber Impulse, die durch den Schalter 107 auf die
Abschirmung 113 übertragen
werden könnten, nicht
auf den Ausgang des Verstärkers 104 wirken.
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An
das Koaxialkabel 110 ist eine Diodenanordnung 114 angeschlossen.
Der Sinn dieser Anordnung 114 besteht darin, die an sich
schädlichen
Kapazitäten
der Schutzdioden D1 bis D4 weitgehend
unwirksam zu machen. Die Diodenanordnung 114 dient dem
Schutz gegen Beschädigungen
durch statische Ladungen. Die besonders schädlichen Kapazitäten der
Dioden D3 und D4 werden
durch Verbindung zur Abschirmelektrode 102 unwirksam gemacht.
Die Abschirmelektrode 102 ihrerseits wird durch die Dioden D1, D2 geschützt.
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Weiterhin
ist zu erkennen, dass der Eingangsbereich des Verstärkers 104 durch
eine Abschirmung 115 abgeschirmt ist, die ebenfalls mit
dem Potenzial der Abschirmelektrode 102 verbunden ist.
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Die 2 zeigt
einen Querschnitt durch die Elektroden 101, 102 und 106.
Hierbei ist zu erkennen, dass die Elektroden 101, 102 im
Beispiel halbschalenförmig
ausgebildet sind.
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Die 3 zeigt
eine erste Ausgestaltung des Eingangs des Verstärkers 104 der 1.
Das Signal der Sensorelektrode 102 wird an den Steueranschluss 150 eines
Eingangstransistors 151 gegeben. An den Ausgangsanschluss 152,
der mit der Vorrichtung 20 verbunden werden kann, ist eine
Spule 153 angeschlossen. Insbesondere ist die Spule 153 zwischen
dem Ausgangsanschluss 152 und Masse geschaltet. Die Spule 153 bildet
zusammen mit der Kapazität
zwischen Steueranschluss und Ausgangsanschluss des Eingangstransistors 151,
in diesem Fall der Gate-Source-Kapazität, da der
Transistor 151 als Feldeffekttransistor ausgebildet ist,
einen Serienschwingkreis. Durch geeignete Dimensionierung der Spule 153 ist
es möglich,
die Wirkung der Gate-Source-Kapazität zu beseitigen.
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Es
ist weiterhin zu erkennen, dass der Ausgangsanschluss 152 über den
Kondensator 154 mit dem Steueranschluss 155 des
Transistors 156 verbunden ist. Der Transistor 156 ist
in Serie zum Eingangstransistor 151 geschaltet. Durch die
Verbindung des Ausgangsanschlusses 152 mit dem Steueranschluss 155 wird
ein so genanntes „Bootstrapping” realisiert.
Dadurch wird die Wirkung der Drain-Kapazität und der Drain-Source-Kapazität des Eingangstransistors 151 verringert
oder gar beseitigt.
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In
der 4 ist eine alternative Ausgestaltung des Verstärkers 104 dargestellt.
Der Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 3 besteht
darin, dass anstatt der Spule 153 eine Anordnung 160, umfassend
eine Spule 161 und einen Kondensator 162, vorgesehen
ist, wobei die Anordnung 160 zwischen den Steueranschluss 150 und
den Ausgangsanschluss 152 geschaltet ist. Somit ist die
Anordnung 160 parallel zur Ausgangsanschlusskapazität des Eingangstransistors 151 geschaltet.
Die Anordnung 160 bildet zusammen mit der Ausgangsanschlusskapazität ebenfalls
einen Schwingkreis. Durch geeignete Dimensionierung der Spule 161 und
des Kondensators 162 kann die Wirkung der unerwünschten Ausgangsanschlusskapazität beseitigt
werden.
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An
den Ausgangsanschluss 152 ist weiterhin eine Stromquelle 165 angeschlossen.
