DE1036421B - Bistabile Halbleiterschaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es sind bereits bistabile Schaltungen bekannt, die durch jeden von außen zugeführten Impuls umgeschaltet werden. Je nach der Zahl der vorhandenen Impulseingänge, der Polarität aufeinanderfolgender Impulse und der resultierenden Umschaltung unterscheidet man weiter zwischen bistabilen und bistabilen binären Anordnungen. Eine bistabile binäre Anordnung schaltet auf eine Folge gleichpoliger Impulse eines Impulsgenerators abwechselnd von einem in den anderen stabilen Zustand um.

Bisher wurden derartige Schaltungen unter Verwendung von Kreuz (rück) kopplungen (Eccles-Jordan) aufgebaut. Ein anderes Prinzip benutzt den beiderseits von positiven Teilen eingegrenzten negativen Teil der Kennlinien eines Transistors, der durch Einfügung eines entsprechenden rückkoppelnden Widerstandes in den Basiskreis eines Punkt-Kontakt-Transistors erhalten wird. Diese Anordnungen sind jedoch infolge der starken Kennlinienstreuungen unstabil und nicht in größeren Serien gegeneinander austauschbar.

Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt ein besonders einfaches und von den Streuungen der verwendeten Halbleitersysteme unabhängiges bistabiles Element, indem zwei Halbleitersysteme mit teilweise negativer Kennlinie derart über einen gemeinsamen Widerstand an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, daß der stabile Arbeitspunkt des einen Systems vom Schnittpunkt seines positiven Teiles mit dem fallenden Teil der Arbeitskennlinie des anderen Systems gebildet wird und eines der Halbleitersysteme den größeren Teil des Gesamtstromes führt. Im einfachsten Fall besteht eine solche Anordnung also aus zwei parallel geschalteten Dioden, die über einen gemeinsamen Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Diese Anordnung hat zwei stabile Zustände, bei denen die eine oder die andere Diode einen erheblich höheren Strom führt als die dazu parallel geschaltete. Der Zustand gleicher Stromführung beider Dioden ist instabil.

Eine insbesondere hinsichtlich der Verringerung der benötigten Steuerleistung vorteilhafte Weiterbildung erhält man, wenn statt der Halbleiterdioden entsprechende Halbleitertrioden angeordnet werden. Steuert nur ein Impulsgeber beide Halbleitersysteme gemeinsam, so entsteht ein bistabiler binärer Kreis. Durch eine Aneinanderfügung mehrerer solcher Kreise läßt sich z. B. ein Zähler herstellen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und aus der Zeichnung. An Hand der Zeichnung sei die Erfindung im folgenden für eine beispielsweise Ausführung näher erläutert.

Bistabile Halbleiterschaltung

Anmelder:

IBM Deutschland

Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m.b.H.,
Sindelfingen (Würti), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Juli 1951

Marion Loren Wood, Highland, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 zeigt schematisch eine Reihenschaltung einer Kristalldiode, eines Widerstandes und einer Spannungsquelle;

Fig. 2 stellt die Schaltung für eine Anordnung nach der Erfindung dar;

Fig. 2a, 2b, 2c und 2d enthalten eine Reihe von Kennlinien für eine Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 2, in welcher ein Halbleiterelement mit drei Elektroden an Stelle einer Kristalldiode vorgesehen ist;

Fig. 3 a enthält eine Reihe von Kennlinien einer Anordnung nach Fig. 3;

Fig. 4 und 5 zeigen Abwandlungen der in Fig. 3 dargestellten Schaltung;

Fig. 6 zeigt die Anwendung des Erfindungsgedankens in einer binären Zähleranordnung.

Eine Kristalldiode besteht gewöhnlich aus einem kleinen Block Halbleitermaterials, in dem z. B. durch Aufsetzen einer feinen metallischen Kontaktfeder eine Grenzschicht erzeugt wird. Die Kennlinie einer solchen Halbleiterdiode weist meist einen Bereich positiven Widerstandes auf, der in einen Bereich negativen Widerstandes übergeht.

In den Fig. 1 und 1 a ist schematisch eine Reihenschaltung einer Kristalldiode mit einem Widerstand und einer Batterie sowie eine Schaltung zur Aufnahme der Eingangskennlinie dieser Schaltung, von den Anschlüssen der Kristalldiode aus gesehen, dargestellt. Eine Batterie 12 von etwa 315 Volt Spannung liegt in Reihe mit einem Widerstand 11 von etwa 20 kQ und mit einer Kristalldiode 10. Die Kristalldiode 10 besteht aus einem Stück Halbleiter-

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material 17, das metallisch leitend mit einer Basis- die Kennlinie 55 in den stabilen Arbeitspunkten 23

elektrode 13 auf einer Fläche überzogen ist und auf und 24 schneidet. Für eine vollständige Betrachtung

dessen gegenüberliegender Fläche die Spitze einer der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 ist

feinen Metallfeder 14 aufgesetzt ist. es jedoch notwendig, auch die Kennlinien für die

Nimmt man die Eingangskennlinie dieser Reihen- 5 andere Blickrichtung, d. h., ausgehend von der Reihenschaltung von den Klemmen 15 und 16 (Fig. 1) her schaltung der Diode 22 mit dem Widerstand, wird auf, so kann man dies mit einer Meßanordnung nach nun die Diode 10 parallel geschaltet, einzuzeichnen. Fig. 1 a vornehmen. Die so erhaltene Kennlinie ist Unter Berücksichtigung des durch die Kurven 21 als Kurve21 in Fig. 2b dargestellt. Wenn der Schlei- und 56 in Fig. 2b dargestellten Eingangskennlinienfer S (Fig. 1 a) zunächst am unteren Ende α ein- io Verlaufes sowie der Vertauschbarkeit der Dioden 10 gestellt wird, so ist damit zwangläufig die Eingangs- und 22 erhält man die Kurvenschar nach Fig. 2d. spannung Ue = Null. Es fließt jedoch ein Strom von Die Fig. 2d wird auch aus der Zusammenfassung der etwa 15mA von der Batterie 12 über Widerstandll Fig. 2a bis 2c erhalten. Es müssen also jeweils eine aus den Klemmen 15 und 16 heraus. Dies entspricht der Kurven 9 oder 21 (Diode 10) mit einer der dem Punkte 21 c in Fig. 2 b. An der Diode 10 liegt i₅ Kurven 55 oder 56 (Diode 22) zusammen betrachtet hierbei die Spannung 0 Volt. Wird der Schleifer S werden. Die Einstellung der einzelnen Arbeitspunkte von α kommend auf eine Spannung von + 20 Volt wird durch Betätigung der Schalter 25 und 26 begestellt (zwischen Punkt α und Punkt b), so gelten wirkt. Ein ähnlicher Vorgang war schon bei der noch fast gleiche Verhältnisse, die Diode 10 führt Aufnahme der Eingangskennlinie nach Fig. la jetzt etwa 1 mA Strom. Dieser Strom muß von der 20 durch Verstellung des Schleifers S beschrieben. Auch durch den Widerstand 11 gegebenen Widerstands- hier bestimmte sich der erhaltene Arbeitspunkt nicht geraden 18 (Fig. 2) abgezogen werden, man erhält nur aus der momentanen Stellung dieses Schleifers,
so die Kurve 21 in Fig. 2 b. Die Diode 10 befindet Die Schaltung nach Fig. 2 arbeitet insofern wie sich im Bereich positiven Widerstandes. Wird der eine Kippschaltung, als daß entweder die Diode 10 Schleifer S weiter auf den Punkt b, entsprechend 25 in ihrem positiven Widerstandsbereich und die + 100 Volt, verschoben, so steigt der Strom durch Diode 22 in ihrem negativen Widerstandsl>ereich die Diode 10 an. Sie gelangt jetzt (Fig. 2 b) von einen stabilen Arbeitspunkt einnimmt oder umPunkt 21c her in Bereich positiven Widerstandes bis gekehrt.

kurz vor dem Kippunkt 21 b. Eine geringfügige Er- Dabei führt jeweils die im negativen Widerstandshöhung der vom Schleifer S abgegriffenen Spannung 30 bereich befindliche Diode den höheren Strom. Der würde eine starke Erhöhung des durch die Diode 10 Umschaltungsvorgang soll nun an Hand der Betätifließenden Stromes gemäß Kurve 9 in Fig. 2a bringen, gung der Schalter 25 und 26 und des Kennlinienbei der die Diode 10 in den Bereich negativen Wider- diagramms nach Fig. 2d erläutert werden. Geht man Standes gerät. In der Meßschaltung nach Fig. 1 a davon aus, daß der Schalter 25 geschlossen und der bedeutet dies, daß der bisher durch die Batterie 12 35 Schalter 26 geöffnet ist, dann arbeitet die Diode 10 gespeiste Stromfluß aus den Klemmen 15 und 16 im Arbeitspunkt 20 (Fig. 2a und 2d) ihres negaaufhört und statt dessen ein Strom vom Schleifer S¹ tiven Widerstandsbereiches. Wird nun bei geaus in die Klemmen 15, 16 eingespeist wird. Der schlossen gehaltenem Schalter 25 der Schalter 26 Arbeitspunkt befindet sich also in Fig. 2 b unterhalb geschlossen, so wird damit eine Parallelschaltung des Punktes 21 α im Gebiet negativer Stromrichtung. 40 der Dioden 10 und 22 hergestellt. Die für die Diode Wird jetzt der Schleifer 5" auf +56VoIt eingestellt, 22 zur Verfügung stehende Spannung ist jedoch so fließt gerade kein Strom Ie mehr, da nach Fig. 2 a geringer als die Scheitelspannung (bei 27 in Fig. 2d). im Schnittpunkt 20 des negativen Teiles der Dioden- Der Arbeitspunkt der Diode 22 stellt sich daher im kennlinie 9 mit der Widerstandsgeraden 18 gerade positiven Widerstandsbereich auf den Punkt 23 ein, 56 Volt an der Diode 10 abfallen. Der Strom durch 45 und die Diode 10 verschiebt ihren Arbeitspunkt auf die Diode wird also in diesem Punkte noch voll aus den Punkt 57, da die Diode 22 im Nebenschluß zu ihr der Batterie 12 geliefert, dies entspricht dem Arbeits- liegt. Wird jetzt der Schalter 25 geöffnet und der punkt21a in Fig. 2 b. Damit besitzt die Diode in der Schalter 26 geschlossen gehalten, dann springt der Eingangskennlinie 21 der Schaltung nach Fig. 1 Betriebszustand der Diode 22 vom Arbeitspunkt 23 zwischen den Punkten 21 b und 21 c positive Charak- 50 des positiven Widerstandsbereiches auf den Arbeitsteristik. Diese Eingangskennlinie 21 ist somit die punkt 59 des negativen Widerstandsbereiches. Dieser Belastungslinie für alle Vorrichtungen, die parallel Arbeitspunkt ist mit durch die Größe der Spannung zur Diode 10 (Fig. 1), also an die Klemmen 15 und 16, der Batterie 12 und durch die Größe des Widerangeschlossen wird. Die Eingangskennlinie 56, die Standes 11 bestimmt. Hält man danach den Schalter ebenfalls in Fig. 2 b eingezeichnet ist, gilt für ein 55 26 geschlossen und schließt auch den Schalter 25, so anderes Exemplar einer Diode, beispielsweise für die nimmt die Diode 10 den Arbeitspunkt 58 im positiven Diode 22 in Fig. 2. Bei völliger Gleichheit dieser Widerstandsbereich ein, da die jetzt der Diode 10 beiden Dioden würden sich natürlich ihre Kennlinien zur Verfügung stehende Spannung geringer ist als decken. die Scheitelspannung, während die Diode 22 im nega-

Erfindungsgemäß wird nun eine Diode 22 parallel 60 tiven Widerstandsbereich bleibt, jedoch auf den

zur Diode 10 nach Fig. 1 geschaltet. Diese Schaltung Arbeitspunkt 24 übergeht.

ist unter Einfügung zweier Schalter 25 und 26 in Eine Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 2 Fig. 2 dargestellt. Es liegt jetzt also eine wechsel- hinsichtlich der Änderungssteuerung für den Kippseitige Wirkung der Eingangskennlinien 21 und 56 kreis zeigt die Anordnung nach Fig. 3. Bei dieser nach Fig. 2b vor. Die vorliegenden Verhältnisse sind 65 Abwandlung ist in vorteilhafter Weise jede der in Fig. 2c dargestellt. Da jeweils die eine Diode Kristalldioden durch eine an sich bekannte Kristallparallel zu der Reihenschaltung des Widerstandes triode (Transistor) ersetzt.

mit der Batterie und der anderen Diode liegt, kehrt Die Kristalltriode (Transistor) 28 (Fig. 3) besteht

sich die Kurve 56 (Fig. 2 b) in die Kurve 55 (Fig. 2 c) aus einem Block Halbleitermaterial, der auf einer

um. Man sieht, daß jetzt die Eingangskennlinie 21 70 Seite mit einer Metallgrundschicht 29 überzogen und

auf der gegenüberliegenden Seite an zwei äußerst feine Metallelektroden 30 und 31 angeschlossen ist, welche allgemein als Arbeitselektrode bzw. Steuerelektrode bezeichnet werden. Die Arbeitselektrode 30 liegt am negativen Pol einer Spannungsquelle 32 von 67,5 Volt, während die Steuerelektrode 31 über einen Widerstand 33 von 13000 Ohm an die positive Klemme der Stromquelle 32 angeschlossen ist. Die Basiselektrode 29 ist über einen Widerstand 34 von 430 Ohm mit dem Verbindungspunkt der Steuerelektrode 31 und des Widerstandes 33 verbunden. Durch diese verschiedenen Anschlüsse der drei Elektroden wird die Arbeitselektrode 30 hinsichtlich der übrigen beiden Elektroden 29 und 31 negativ vorgespannt, während die Steuerelektrode 31 gegenüber der Basiselektrode 29 eine positive Vorspannung erhält. Ein zweiter Transistor 35 oder ein Glied mit negativem Impedanzbereich ist der Triode 28 parallel geschaltet. Die Triode 35 hat eine Basiselektrode 36, eine Arbeitselektrode 37 und eine Steuerelektrode 38, welche auf die oben für die gleichen Elektroden der Triode 28 beschriebene Weise angeschlossen sind.

Die Impulserzeuger 39 und 40 liefern phasenverschobene negative Impulse und sind über die Kondensatoren 41 bzw. 42 an die jeweiligen Basiselektroden 29 bzw. 36 der Transistoren 28 und 35 angeschlossen.

Eine Veränderung des Potentials der Steuerelektrode führt zu einer Veränderung auf der Arbeitselektrodenkennlinie 43 (Fig. 3 a), welche der Kennlinie 9 (Fig. 2 a) der Kristalldiode ähnlich ist. Die Arbeitselektrodenkennlinie 43 ist die Kennlinie für die Triode 35, während die Kurve 60 die Kennlinie für die Triode 28 ist. Die Eingangskennlinien 62 und 61 wurden in ähnlicher Weise erhalten wie im Falle der Fig. 1, wo die Kurve 61 die Eingangskennlinie ist, wenn die Triode 28 mit der Spannungsquelle 32 und dem Widerstand 33 in Reihe geschaltet ist, und die Kurve 62 ist die Eingangskennlinie, wenn die Triode 35 auf gleiche Weise verwendet wird.

Die Umschaltung des stabilen Betriebszustandes erfolgt bei der Kippschaltung nach Fig. 3 in folgender Weise: Für den Anfang sei davon ausgegangen, daß der Transistor 35 an der Stelle 45 (Fig. 3 a) im positiv veränderlichen Widerstandsbereich der Kurve 43 und der Transistor 28 an der Stelle 46 im negativ veränderlichen Widerstandsbereich der Kurve 60 arbeitet. Nach Fig. 3 a ist in diesem stabilen Betriebszustand der über den Transistor 35 fließende Strom wesentlich niedriger als der über den Transistor 28 fließende Strom.

Wird nun ein negativer Impuls aus dem Impulsgeber 40 über den Kondensator 42 der Basiselektrode 36 des Transistors 35 aufgeprägt, so wird dadurch die Spannung zwischen der Steuerelektrode und der Basiselektrode vergrößert, wodurch aus der Kennlinie 43 die gestrichelt dargestellte Kennlinie 47 entsteht. Die Veränderung dieser Kollektorkennlinie führt zu einer Herabsetzung der Spannung, bei welcher der Betriebszustand des Transistors 35 in seinen negativ veränderlichen Widerstandsbereich übergeht und sich infolgedessen der Transistor auf den Arbeitspunkt 48 schaltet. Der Arbeitspunkt 48 der Triode 35 verlagert sich auf die Stelle 63, sobald der der Basiselektrode zugeführte negative Impuls verschwindet. Wenn der Transistor 35 in seinem negativen Widerstandsbereich arbeitet, geht der Betriebszustand des Transistors 28 von Punkt 46 auf den Arbeitspunkt 64 im positiven Widerstandsbereich über, wie es das Stabilitätskriterium der Kippschaltung erfordert. Es ist also eine Zustandsänderung der Kippschaltung nach Fig. 3 eingetreten, in welcher der Transistor 28 den Arbeitspunkt 64 und der Transistor 35 den Arbeitspunkt 63 angenommen hat. In diesem neuen stabilen Gleichgewichtszustand hat jetzt der Stromdurchgang für den Transistor 35 den höheren von zwei Werten, während der Stromdurchgang für den Transistor 28 jetzt den niedrigeren von zwei Werten hat.

In ähnlicher Weise wird durch die Zuführung eines negativen Impulses aus der Impulsquelle 39 über den Kondensator 41 zur Triode 28 der Kippkreis in den Ausgangszustand zurückgeschaltet.

Eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 3 zeigt die Fig. 4. Hier sind die Funktionen der Steuerelektrode und der Basiselektrode gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 3 vertauscht und die beiden Widerstände 50 und 53 hinzugefügt worden, um die Ausgangsleistung abzunehmen. Bei dieser Anordnung nach Fig. 4 ist die Arbeitselektrode 30 des Transistors 28 an die negative Klemme der Stromquelle über den Widerstand 50 angeschlossen, während die Steuerelektrode 31 mit der positiven Klemme der Stromquelle 32 über die Widerstände 34 und 33 verbunden ist. Der Impulsgenerator 39 liefert positive Impulse. Diese positiven Impulse werden über den Kondensator 41 der Steuerelektrode 31 zugeführt. Der Transistor 35, der dem Transistor 28 parallel geschaltet ist, ist auf ähnliche Weise angeschlossen. Bei dieser Abwandlung nach Fig. 4 wird das Potential der Steuerelektrode gegenüber dem der Basiselektrode positiv gemacht, so daß die Kippschaltung auf positive, anstatt auf negative Impulse anspricht.

Eine weitere Abwandlung der Anordnung nach Fig. 3 ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Abwandlung ist die Arbeitselektrode 30 mit dem negativen Anschluß der Stromquelle 32 über ein paralleles Impedanznetzwerk verbunden, welches aus dem Widerstand 50 von 570 Ohm und dem Kondensator 51 von 0,0056 Mikrofarad besteht. Ebenso ist die Arbeitselektrode 37 über das aus dem Widerstand 53 von 570 Ohm und dem Kondensator 52 von 0,0056 Mikrofarad bestehende Parallelnetzwerk mit der negativen Seite der Batterie 32 verbunden. Ein Impulsgenerator 54 gibt über die Kondensatoren 41 und 42 negative Impulse an die Basiselektroden 29 und 36 ab. Durch die Einfügung des Impedanznetzwerkes in jeden Kollektorkreis und der gemeinsamen \^rerbindung der Impulsquelle mit den Basiselektroden jedes Transistors arbeitet die Schaltung nach Fig. 5 als Kippschaltung nach dem Flip-Flop-Prinzip, bei welcher durch gleichzeitig jeder Basiselektrode zugeleitete aufeinanderfolgende negative Impulse bewirkt wird, daß sich der Kippkreis in seinem Betriebszustand hin- und herschaltet.

Es sei z. B. angenommen, daß der Transistor 35 mit dem Arbeitspunkt 63 (Fig. 3 a) im negativen Widerstandsbereich wirksam ist, während der Transistor 28 bei 64 im positiven Widerstandsbereich arbeitet, wenn den Basiselektroden der Trioden 28 und 35 gleichzeitig ein negativer Impuls zugeleitet wird. Der dem Transistor 35 zugeführte negative Impuls ruft noch keine Zustandsänderung hervor. Er bewirkt aber, wie oben erörtert, eine Umschaltung des Transistors 28 in den negativen Widerstandsbereich, wodurch wiederum die Umschaltung des Transistors 35 in den positiven Widerstandsbereich entsteht. Dies hat zur Folge, daß die Kippschaltung

den anderen Gleichgewichtszustand einnimmt. Mit dem nächstfolgenden negativen Impuls wird der Kippkreis wieder in seinen ursprünglichen Gleichgewichtszustand zurückgeführt.

In Fig. 6 ist ein zweistufiger Impulszähler dargestellt. Die beiden Zählerstufen sind erfindungsgemäß dadurch entstanden, daß ein Kippkreis nach Fig. 5 kapazitiv mit einem ähnlichen Kippkreis verbunden ist. Obwohl in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 nur zwei Stufen des Transistorzählers dargestellt sind, soll die Erfindung nicht hierauf beschränkt sein. Es lassen sich im Rahmen der Erfindung auch zwei oder mehr als zwei solcher Kippkreise z. B. zu einem Dekadenzähler zusammenstellen. Die über die Widerstände 53 entstehende Ausgangsleistung der ersten Stufe wird gemeinsam über einen Kondensator 54 von 0,05 Mikrofarad auf jede Basiselektrode der zweiten Stufe angelegt, so daß eine Zustandsänderung der zweiten Stufe bei nur jedem zweiten an die Eingangsseite der ersten Stufe angelegten negativen Impuls eintritt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Bistabile Halbleiterschaltung, insbesondere mit Kristalldiode oder Transistor, deren Arbeitsbereich eine fallende Kennlinie besitzt und deren Belastung eine den fallenden Arbeitskennlinienbereich schneidende Widerstandslinie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleitersysteme derart über einen gemeinsamen Widerstand an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, daß der stabile Arbeitspunkt des einen Systems vom Schnittpunkt seines positiven Teiles mit dem fallenden Teil der Arbeitskennliiiie des anderen Systems gebildet wird und eines der Halbleitersysteme den größeren Teil des Gesamtstromes führt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Signalgeber (25, 26) in Reihe zu einer Diode (10 bzw. 22) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter (31, 38) zweier Transistoren (28, 35) an den gemeinsamen Widerstand (33) angeschlossen sind und daß auf die Basiselektroden (29,36) je ein Impulsgeber (39, 40) einwirkt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (29,36) an den gemeinsamen Widerstand (33) angeschlossen wird.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgeber (54) gleichzeitig auf beide Halbleitersysteme einwirkt.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher bistabilen Stufen zu einem Zähler hintereinandergeschaltet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschriften Nr. 2 531076, 2 533 001;

belgische Patentschrift Nr. 498 396;

»The Review of Scientific Instruments«, Bd. 20, Nr. 8, August 1949, S. 586 bis 588;

»Proceedings of the IRE«, Bd. 39, Nr. 6, Juni 1951, S. 627 bis 632.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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