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Elektronische Impulsverteilerschaltung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von vorzugsweise periodisch wiederkehrenden
Spannungsimpulsfolgen.
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Schaltungsanordnungen dieser Art, Impulsverteiler genannt, werden
in der Nachrichtentechnik, beispielsweise zur Übertragung mehrerer Signale über
einen Weg in zeitlicher Bündelung benötigt. Ein solcher Impulsverteiler besteht
aus einzelnen Verteilereinheiten, die in Kette geschaltet sind und Verstärkerelemente
aufweisen. Die Zahl der Verteilereinheiten richtet sich hierbei nach der Zahl der
zu verteilenden Impulse. Sie können beispielsweise als monostabile Multivibratoren
mit zwei Verstärkerelementen (Röhre oder Flächentransistor) oder mit einem Spitzentransistor
aufgebaut sein. Schaltungen mit Spitzentransistoren haben allerdings keine praktische
Bedeutung mehr, da dieselben sehr störungsanfällig und durch die technische Entwicklung
auf dem Halbleitergebiet schon seit längerem überholt sind. Die Verteilereinheiten
lassen sich aber auch ohne Spitzentransistoren mit einem Verstärkerelement, beispielsweise
mit einem Flächentransistor, in Form monostabiler Kippstufen verwirklichen. Hierbei
sind die Verteilereinheiten über Koppelglieder vorzugsweise zu einem Ring zusammengeschaltet
und die Kippstufen so bemessen, daß die Transistoren im Ruhezustand, d. h. in ihrer
stabilen Lage, gesperrt sind. Die Koppelglieder sind jeweils zwischen zwei Transistoren
so angeordnet, daß in jeder Stufe der Kondensator des betreffenden Koppelgliedes
sich selbsttätig über die Emitter-Kollektor-Strecke des vorgeordneten Transistors
entlädt, jedoch über die Emitter-Basis-Strecke des nachgeordneten Transistors geladen
wird. Eine solche Schaltungsanordnung hat jedoch den erheblichen Nachteil, daß die
Kippstufen bei thermischen Belastungen zu Betriebsstörungen Anlaß geben, d. h. daß
der geschilderte Impulsverteiler praktisch nur bei normaler Zimmertemperatur betrieben
werden kann, wenn nicht durch besondere, aufwendige Schaltungsmaßnahmen oder durch
die Anwendung teurer Siliziumtransistoren diese thermische Instabilität ausgeschaltet
wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine vorzugsweise mit
Transistoren aufgebaute Impulsverteilerschaltung der einleitend beschriebenen Art
eine einfache, mit einem Minimum an Schaltelementen auskommende Lösung aufzuzeigen,
die unter anderem auch in thermischer Hinsicht die an sie zu stellenden üblichen
Anforderungen erfüllt.
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Ausgehend von einer elektrischen Impulsverteilerschaltung, bestehend
aus zwei und mehr monostabilen Kippstufen, bei der jede Kippstufe einen im Ruhezustand
leitenden und im Arbeitszustand gesperrten Transistor in Emitter-Basis-Schaltung
aufweist, deren Eingang von der Basis-Emitter-Strecke des Transistors in Reihe mit
einem Kondensator und deren Ausgang von dessen Kollektor-Emitter-Strecke gebildet
ist und bei der dem Kollektor und der Basis des Transistors die Betriebsgleichspannung
über jeweils einen Widerstand zugeführt ist, wird erfindungsgemäß die Aufgabe dadurch
gelöst, daß die Kipppstufen in Reihe geschaltet sind und am Eingang der ersten Stufe
Impulse von solcher Polarität anliegen, daß deren Kondensator von der Impulsvorderflanke
über die Basis-Emitter-Strecke des zugehörigen Transistors rasch aufgeladen und
erst nach Beendigung des Impulses über den die Basis mit der Betriebsgleichspannungsquelle
verbindenden Widerstand entladen wird.
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Es sind zwar bereits Schaltungen zur Impulsformung bekannt, die unter
anderem von einer monostabilen Kippstufe mit nur einem Transistor in Emitter-Basis-Schaltung
Gebrauch machen. Hierbei ist der Eingang der Kippstufe aus der Reihenschaltung der
Basi.s-Emitter-Strecke mit einem Kondensator und deren Ausgang von der Kollektor-Emitter-Strecke
gebildet. Diese Kippstufe wird jedoch im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand in gänzlich
anderer Weise ausgesteuert als die zu einer Impulsverteilerschaltung hintereinandergeschalteten
monostabilen Kippstufen der erfindungsgemäßen Impulsverteilerschaltung.
Die
erfindungsgemäße Reihenschaltung von an sich bekannten monostabilen Kippstufen ermöglicht
es, auf Grund der besonderen Aussteuerung der einzelnen Stufen, einen außerordentlich
einfachen, mit einem Minimum an Schaltelementen auskommenden Impulsverteiler zu
realisieren.
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An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt
sind, soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet
Fig. 1 das Schaltbild einer bekannten monostabilen Kippstufe, Fig. 2 den zeitlichen
Verlauf der Spannungen und Ströme an verschiedenen Stellen der Schaltung nach der
Fig. 1 bei einer Aussteuerung nach der Erfindung, Fig. 3 die schematische Darstellung
der Schaltung eines Impulsverteilers mit vier Verteilereinheiten nach der Erfindung,
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Spannung an einzelnen Stellen der Schaltung nach
der Fig. 3, Fig. 5 das Blockschaltbild einer im Ring geschalteten Kette aus vier
Verteilereinheiten nach der Erfindung, Fig. 6 das Blockschaltbild eines aus vier
Verteilereinheiten bestehenden Impulsverteilers mit einer Pulsstartquelle, Fig.
7 ein weiteres Blockschaltbild eines aus vier Verteilereinheiten bestehenden Impulsverteilers
mit Synchronisiereinrichtung, Fig. 8 ein Schaltungsbeispiel für einen synchronisierten
Impulsverteiler nach Art der Fig. 7, Fig. 9 den zeitlichen Spannungsverlauf an verschiedenen
Stellen der Schaltung nach der Fig. B.
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Die als Verteilereinheit für die erfindungsgemäße Impulsverteilerschaltung
verwendete monostabile Kippstufe nach der Fig. 1 enthält als Verstärkerelement einen
Transistor Ts vom pnp-Typ in Emitter-Basis-Schaltung. Der Emitter des Transistors
Ts ist hierbei unmittelbar geerdet, während sein Basisanschluß und sein Kollektoranschluß
über die Widerstände R und Re am negativen Pol der Betriebsgleichspannungsquelle
Ub angeschlossen sind. Die Schaltung ist durch einen Kondensator C vervollständigt,
der den Eingang E der Kippstufe gleichstrommäßig von der Basis entkoppelt. Die Ausgangsspannung
der Kippstufe wird am Ausgang A gegen Masse abgenommen.
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Zum Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung nach der Fig. 1 bei
einer Aussteuerung nach der Erfindung ist in der Fig.2 der zeitliche Verlauf der
Spannungen und Ströme an verschiedenen Stellen der Schaltung graphisch dargestellt.
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Die Kippstufe befindet sich zunächst in ihrer stabilen Normallage,
in der der Transistor Ts infolge des seiner Basiselektrode über den Widerstand R
zugeführten Stromes bis zur Sättigung leitend ist. In diesem Zustand haben die Basis
und der Kollektor ungefähr das Potential Null. Wird nunmehr an den Eingang E die
Spannung Ur in Form eines negativen Startimpulses mit der Amplitude U, und
der Dauer tE angelegt, dann lädt sich der Kondensator C durch die Vorderflanke des
Startimpulses rasch auf das Potential - U, auf, weil dessen transistorseitiger Belag
wegen der Richtleiterwirkung der Basis-Emitter-Strecke das Potential Null nicht
unterschreiten kann. Ein geringer Einbruch der Spannung UB an der Basis rührt
von dem endlichen Durchlaßwiderstand der Basis-Emitter-Strecke her, der während
des Ladevorgangs kurzzeitig durch einen relativ großen StromI, belastet ist. Wenn
der Startimpuls verschwindet, liegt zwischen der Basis und dem Emitter die Potentialdifferenz
U, des Kondensators C, d. h., die Spannung UB nimmt den Wert -f- U, an, und
der Kollektor wird stromlos. Die Kippstufe befindet sich jetzt in der Umkehrlage,
und der Kondensator C entlädt sich nunmehr über den Widerstand R. Dabei erfolgt
die Potentialänderung von -f- U, nach - Ub nach einer mit der Zeitkonstante
T = R - C verlaufenden Exponentialfunktion. Entsprechend ändert sich der Wert des
Entladestromes 1, über der Zeit. Sobald: das Potential Null erreicht ist, wird der
Umladevorgang durch die wieder eintretende Leitfähigkeit der Basis-Emitter-Strecke
unterbrochen, und der EntladestromI, bricht ab. Gleichzeitig fällt die Kippstufe
wieder in ihre Normallage zurück.
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In dem Zeitraum, in dem die Kippstufe sich in der Umkehrlage befindet,
tritt am Ausgang A gegen Masse (U,1) ein negativer Impuls der Amplitude Ub auf,
dessen Dauer t, identisch mit der Entladezeit t, des Kondensators C ist. In der
Fig. 2 ist die Dauer tE des Startimpulses gleich der Entladezeit t, und damit gleich
der Dauer t" des Ausgangsimpulses gewählt. Der Ausgangsimpuls ist demnach gerade
um die Dauert, gegenüber dem Startimpuls am Eingang E verschoben. Der der Ausgangsspannung
UA entsprechende Stromverlauf des den Widerstand Rc und die Emitter-Kollektorstrecke
durchfließenden Stromes ist im Diagramm IR, ebenfalls dargestellt.
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Ist die Dauer des Startimpulses größer oder kleiner als t, gewählt,
so ist auch die zeitliche Verschiebung der Vorderflanke des Ausgangsimpulses gegenüber
der Vorderflanke des Startimpulses entsprechend größer oder kleiner, während die
Dauer des Ausgangsimpulses selbst von der Entladezeit t, des Kondensators C und
damit auch von der Amplitude des Eingangsimpulses bestimmt ist.
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Gemäß der Erfindung können mehrere in der beschriebenen Weise ausgesteuerte
monostabile Kippstufen nach der Fig. 1 zu einem Impulsverteiler hintereinander geschaltet
werden. In der Fig. 3 ist in schematischer Darstellung ein solcher aus vier Verteilereinheiten
K1 . . . K4 bestehender Impulsverteiler gezeigt. Die Schaltelemente der Verteilerstufen
sowie deren Ausgänge A sind entsprechend den einzelnen Stufen mit Indizes versehen.
Die zeitlichen Spannungsverläufe an den Ausgängen A1. . . A4, die durch einen am
Eingang E auftretenden Startimpuls ausgelöst werden, sind in der Fig. 4 dargestellt.
Die Dauer des Startimpulses ist hierbei wiederum gleich der Dauer der Entladezeit
t, und damit gleich der Dauer t" des Ausgangsimpulses gewählt. Außerdem hat die
Amplitude des Startimpulses den Wert der Amplitude der Ausgangsimpulse .der Verteilerstufen.
Da der Ausgangsimpuls einer Kippstufe der nachfolgenden Kippstufe als Startimpuls
dient, sind die an den Ausgängen A 1 . . . A4 auftretenden Impulse jeweils um die
Dauer einer Impulsbreite t", gegeneinander verzögert und können an den Ausgängen
A1 ... A4 abgenommen werden. Die an den Ausgängen A1 ... A3 auftretenden
Impulse sind an ihren Vorderflanken leicht verrundet. Dies rührt von der Belastung
der betreffenden Kippstufenausgänge durch die Kondensatoren der jeweils nachfolgenden
Stufen her.
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Impulsverteiler für Mehrkanal-Übertragungssysteme mit zeitlicher Bündelung
(Zeitmultiplexsysteme) werden periodisch gestartet. Der Zusammenhang zwisehen
der
Impulsperiode t, der Startimpulsfolge, der Impulsverzögerung t," und der Stufenzahl
z ist meist mit to = tn . .Z so gewählt, daß der Impulsverteiler einen
neuen Zyklus immer dann beginnt, wenn seine letzte Stufe gerade durchlaufen worden
ist. Das Starten des Impulsverteilers kann beispielsweise, wie in der Fig. 5 gezeigt
ist, dadurch erfolgen, daß der Impuls der letzten Kippstufe K, über den Ausgang
A4 zum Eingang E der ersten Kippstufe K1 zurückgeführt wird. Bei diesem Verfahren
sind allerdings noch Zusatzeinrichtungen erforderlich, die sicherstellen, daß der
Impulsverteiler in Betrieb kommt und außerdem nur ein einziger Impuls am Umlauf
beteiligt ist. Es ist daher zweckmäßiger, den Impulsverteiler nicht im Ring zu schalten,
sondern entsprechend der Fig.6 eine fremde Startpulsquelle P,t" mit der Impulsperiode
t" heranzuziehen, deren Ausgang an den Eingang E der ersten Kippstufe K1 angeschaltet
ist.
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Die Genauigkeit der Impulseinsätze ist durch die Entladezeit t,, der
Kippstufenkondensatoren und damit von der Zeitkonstante T = R -C abhängig.
Da sowohl die Kondensatoren C, . . . C, wie auch die Widerstände R1 . . . R_, hinsichtiich
ihrer Werte Toleranzen aufwei--en und sich auch thermische Einflüsse und A.Iterungs;
rscheinungen nicht restlos unterbinden lassen, können insbesondere in der letzten
Stufe größere auflauen. Dieser Nachteil läßt sich dadurch vermeiden, daß den einzelnen
Kippstufen noch besondere Steuerimpuise zugeführt werden.
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in der Fig. 7 ist ein mit einer solchen Einrichtung syncilroilisieärr
Impulsverteiler mit vier Stufen im Block,chaltbild Der ImgTuissteuergeber . ist
mit dem Impulsverteiler aber zwei Steuer-PclE leiturigen verbunden, von denen die
eine Leitung an die hippstufenausg::inge init der ungerader. Zahl und die andere
ail di=e mit der geraden Zahl angeschlossen ist. Zur;:genseiiigen Entkopplung der
einzelnen Kippstufen ist :ierbei in jeder Zuleitung ein Gleichriclli2r vorgesi'._?cn,
der in der- rig.7 schematisch durch einen Pfeil üilg;:deuiet ist. Der Steuerimpulsgeber
sendet über jede Steaer?eüung eine Impulsfolge der Periode ? t,., die gegeneinander
um die Zeit t" versetzt sind. Zwischen dz p. Steuerimpulsfolgen der Periode
2 t;- und den Startimpulsfolgen der Periode t" ist eine starre Kopplung erforderlich,
die, wie in der Fig. 7 angedeutet ist, beispielsweise dadurch erfolgen kann, daß
die Startimpulsfolg-- vom Pulssteuergeber P,.,_,. über einen Frequenzteiler T# r
abgeleitet wird.
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Eine besonders vorteilhafte, den ErfindungsgegensIand weiterbildende
Ausführungsform eines Impulsverieilers mit Synchronisiereinriclitung, ähnlich der
Fig. 7, ist in d--r Fig. 8 angegeben. Der Steuerimpuls-C, bvst;,ht .hierbei aus
einem Sinuswellengenerator G, dessen Ausgangsspannung Uu über einen Übertrager Ü
einer Gleichrichterschaliung zugeführt ist, die zwei Transisioren Ts" und Ts. in
Gegenphase durchsteuert. Die Transistoren Ts@ und Ts. sind in Emittr-Basis geschaltet
und jeweils mit ihrem Kollektor (Ausgänge AA und A") an eine der beiden Steuerleitungen
angeschlossen. Die Gleichrichterschaltung stellt eine Gegeataktschaltung dar, bei
der die Endanschlüsse der mit einer geerdeten Mittelanzapfung versehenen Sekundärwicklung
des Übertragers il jeweils über die Reihenschaltung eines Gleichrichters Gl" bzw.
GI" mit einem Widerstand R5 bzw. R, mit dem negativen Pol der Betriebsgleichspannungsquelle
Uv verbunden sind. Die Basiselektroden der Transistoren Ts, und Ts. sind ihrerseits
zwischen Gl. und R5 bzw. Gl. und R" an die Gleichrichterschaltung angeschlossen.
In die Steuerleitungen sind ferner die Gleichrichter Gli . . . Gl. mit unter
sich gleicher Poluni eingefügt, um ein gegenseitiges Blockieren der Kippstufen K1
... K, zu verhindern. Die Startimpulsfolge für den Impulsverteiler liefert
ein astagiler Multivibrator, der aus zwei im Ring geschalteten Kippstufen nach der
Fig. 1 besteht. Hierbei ist in vorteilhafter Weise die zweite Kippstufe (Ki) des
astagilen Multivibrators gleichzeitig als erste Verteilereinheit des Impulsverteilers
mitverwendet, so daß für die Startimpulsquelle lediglich ein weiterer Transitor
Ts7 zusätzlich der Widerstände R7/Rc7 und dem Kondensator C 7 benötigt sind. Die
Schaltzeiten des astagilen Multivibrators t" und (z -1) t, mit der Stufenzahl z
_ 4 sind durch die Zeitkonstantenglieder T1 = C1 * R1 und T7 = C; *R, grob eingestellt.
Die exakte Einschahuilg des Transistors Ts7 erfolgt durch die vom Transistor Ts.
abgegebene Steuerimpulsfolge, die über den Widerstand R, auf den Wert der Knickspannung
des antiparallel geschalteten Gleichrichterpaares Gl,=Glb vermindert und der vom
Transistor Tsi an den Transistor T s7 rückgeführten Spannung überlagert isi.
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Zum Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung sind in
der Fig. 9 in zeitlicher Zuordnung untereinander die Ausgangsspannung des Sinu#,wcliengenerators
und die auf das gemeinsame Massepotential bezogenen Spannungen an den Stellen
A" A" A5, A6, Bi, B." E, und E der Schaltung nach der Fig. 8 über
der Zeit aufgetragen.
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Bei der folgenden Betrachtung sei zunächst einmal die phasenstarre
Kopplung des astagilen Multivibrsiors hinsichtlich der SteLerimpulsfolgen als gegeGen
vorüusgesetzt. Die Spannung des Sinuswwellengenerators G der Periode t" steuert
mit großer Amplitude über den Übertrager ü die Gleichrichterschaltung und danik
die Transistoren Ts@ und Ts" gegenp;i2sig so durch.. daß der eine Transistor während
der Dauer der positiven Halbwellen und der andere während der Dauer der negativen
Nalbwellen der Sinusspannung leitend ist. Am Kollektor der Transistoren Ts@ und
Tss stehen daher jeweils eine Rechteckspannung U4" bzw. UA 3, die gegeneinander
um 180° in der Phase versetzt sind und die Periode 2t" besitzen. Am Ausgang Ai der
Kippstufe K., die gleichzeitig die zweite Stufe des als Sisrtpulsquelle wirksamen
astagilen Multivibrators ist, tritt eine Impulsfolge auf, die in dem mit UA, bezeichneten
Diagramm in der Fig. 9 dargestellt ist. Die unterschiedlichen Schaltzeiten t" und
(z - 1) - t" sind, wie bereits erwähnt, durch die unterschiedliche Dimensionierung
der Zeitkonstante T i = Cl' R1 und T_ = C7 «R 7 des Multivibrators
festgelegt. Die zeitliche Lage der Spannungsimpulsfoige Uri i hinsichtlich der Rechteckspannungen
U, ; und UAG am Kollektor der Transistoren Ts" und Ts6 ist so festgelegt,
daß der am Eingang E der ersten Kippstufe K1 ausgelöste Startimpuls in seiner zeitlichen
Verzögerung an den Ausgängen A1 und A3 dann auftritt, wenn auch der Transistor Ts-
gerade gesperrt ist. Das gleiche gilt für die Ausgänge A., und Ai hinsichtlich des
Transistors Ts". Die Zeitkonstanten Ti . . . T4 sind mit Rücksicht auf die zeitliche
Stabilisierung der Kette durch den Steuerimpulsgeber so dimensioniert, daß die Entladezeit
der Kondensatoren
C1 ... C4 ungefähr den 1,5fachen
Wert der Impulsdauer t, beträgt. Dadurch ist nämlich erreicht, daß die Rückflanken
der Startimpulsfolge stets durch das Leitendwerden der Transistoren Ts. und Tse
bestimmt, d. h. aber durch die Nulldurchgänge der Spannung UG des Sinuswellengenerators
G markiert sind. Diesen Vorgang veranschaulichen die in der Fig. 9 untereinander
aufgetragenen Spannungsverläufe UB 1, UA 1, UB 2
und UA 2.
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Zur Synchronisation des Multivibrators wird, wie bereits erwähnt,
die am Kollektor des Transistors Ts5 stehende Rechteckspannung U" 5 der Periode
2 tp über den Widerstand R8 auf den Wert der Knickspannung der antiparallel
geschalteten Gleichrichter G17/G18 vermindert und der vom Ausgang A1 der Kippstufe
K1 zum Eingang des Transistors Ts7 rückgeführten Spannungsimpulsfolge UA 1 überlagert.
Der Kondensator C8, der mit dem Widerstand R8 in Reihe geschaltet ist, sorgt für
die notwendige gleichstrommäßige Entkopplung. Das an der Stelle E, zwischen dem
Widerstand R8 und dem Kondensator C7 auftretende Spannungspotential ist in dem mit
UE o bezeichneten Diagramm dargestellt. Unmittelbar darunter ist die Spannung
UB 7 an der Basis des Transistors Ts7 aufgetragen. Die gleichstrommäßige
Entkopplung durch den Kondensator C$ bewirkt, daß die der zum Kondensator C7 zurückgeführten
Spannung UA1 überlagerte Spannung UAS den zeitlichen Verlauf der Spannung
UB 7 im Mittel nicht beeinflußt, so daß die Rückflanke jedes zweiten Impulses
der am Kollektor von Ts5 stehenden Rechteckspannung die Rückflanke des am Ausgang
des Transistors Ts7 und damit am Eingang E des Impulsverteilers auftretenden Startimpulses
(UE) festlegt.
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Der mit Kippstufen nach der Fig. 1 aufgebaute Impulsverteiler nach
der Erfindung ist selbstverständlich nicht auf vier Verteilereinheiten beschränkt,
sondern kann eine beliebig große Anzahl Einheiten aufweisen. Auch ist die Synchronisation
nach der Fig. 8 auch für beliebig lange Verteilerketten verwendbar. Es ist hierbei
nur zu beachten, daß die Periode to der Startimpulsfolge von der Stufenzahl
z des Impulsverteilers entsprechend der Beziehung to = t, - z abhängt.
In gleicher Weise ist das Schaltzeitenverhältnis 1: (z - 1) durch die Stufenzahl
z bestimmt.