DE1156501B - Steuerbare Stromversorgungsanlage fuer Wechselstromverbraucher - Google Patents

Description

INTERNAT.KL. H 02 j

DEUTSCHES

PATENTAMT

W 24628 Vfflb/21d²

PATEHTABTiS

ANMELDETAG: 10. DEZEMBER 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 31. OKTOBER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, mit deren Hilfe der einem Verbraucher zugeführte Teil der von einer Wechselspannungsquelle gelieferten Halbwellen abhängig von einer Steuergröße eingestellt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist es beispielsweise bekannt, den Verbraucher über zwei antiparallel geschaltete Stromtore an eine Wechselspannungsquelle anzuschließen und den Stromtoren abwechselnd Zündimpulse zuzuführen, deren Phasenlage, bezogen auf die Speisewechselspannung, abhängig von einer Steuerspannung verändert werden kann.

Die Erfindung betrifft eine neuartige Lösung dieser Aufgabe mit Hilfe einer sogenannten hyperkonduktiven Diode. Derartig asymmetrisch leitende Vorrichtungen bestehen aus mehreren Schichten verschieden dotierter Halbleitermaterialien, die z. B. n-p-n oder p-n-p-Übergänge bilden und an die zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen eine Metallschicht anlegiert ist.

In diesem Zusammenhang interessiert jedoch nur das zwischen den äußeren Anschlüssen meßbare Verhalten eines solchen Bauelementes. Die Eigenschaften einer solchen hyperkonduktiven Diode lassen sich am einfachsten an Hand der Fig. 1 der Erfindungsunterlagen beschreiben. Wie aus der dort dargestellten Kurve zu ersehen, verhält sich eine solche Diode in Durchlaßrichtung praktisch genauso wie eine der sonst üblichen gewöhnlichen Dioden. In Sperrichtung fließt zunächst ebenfalls ein sehr geringer Sperrstrom. Wenn jedoch die Sperrspannung einen bestimmten Grenzwert Vl übersteigt, dann bricht die Sperrfähigkeit der hyperkonduktiven Diode plötzlich zusammen. Es kann dann ein hoher Strom in Sperrichtung fließen. Hierbei fällt — ähnlich wie in Durchlaßrichtung — an der Diode nur eine sehr geringe Spannung ab. Sinkt der in Sperrichtung die Diode durchfließende Strom jedoch unter einen unteren Grenzwert (einige Milliampere), dann geht die Diode wieder in den Sperrzustand über. Bei einer solchen Diode besteht aber auch die Möglichkeit, höhere, in Sperrichtung fließende Ströme zu unterbrechen, indem durch die Diode ein Stromimpuls getrieben wird, dessen Spitzenwert größer als der gerade in Sperrichtung fließende Strom ist.

Die Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher über zwei asymmetrisch leitende Vorrichtungen, die mit gleichnamigen Elektroden miteinander verbunden sind, an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, wobei wenigstens eine der asymmetrisch leitenden Vorrichtungen eine hyperkonduktive Diode ist, und daß zu dieser eine Steuerspannungsquelle parallelgeschaltet ist.

Steuerbare Stromversorgungsanlage für Wechselstromverbraucher

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation, East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 10. Dezember 1957 (Nr. 701 917)

Frank J. Hierholzer jun., Monroeville, Pa.,

und Bent Christensen, Turtle Creek, Pa. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

Es sind nun bereits Anordnungen bekannt, bei denen ebenfalls zwei asymmetrisch leitende Vorrichtungen, z. B. zwei gewöhnliche Dioden gegensinnig in Serie geschaltet sind, die also rein äußerlich eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Gegenstand der Erfindung besitzen. Die gegensinnig in Serie geschalteten Dioden haben hier aber die Aufgabe, Ströme in beiden Richtungen nur bis zu einem ganz bestimmten Grenzwert durchzulassen. Oberhalb dieses Grenzwertes wächst der Widerstand der in Serie geschalteten Dioden sehr stark an. Zu diesem Zweck sind die Dioden mit einem Strom in Durchlaßrichtung vorbelastet. Soweit über die Dioden zusätzlich ein weiterer Stromkreis geführt ist, kann in diesem auch über die in Sperrichtung gepolte Diode ein Strom bis zu der Größe des Vorstromes fließen, mit dem die Dioden vorbelastet sind. Wollte man einer solchen Anordnung—entsprechend der Aufgabenstellung der Erfindung — die einem Verbraucher zugeführte Wechselspannungshalbwelle steuern, dann müßte der Steuerstrom stets die gleiche Größe haben wie der Laststrom. Aus diesen Gründen ist eine solche Anordnung zur Steuerung höherer Leistungen nicht geeignet.

Eine äußerliche Ähnlichkeit besitzt auch die Serienschaltung zweier Zenerdioden, die man z. B. anwendet, um bipolare Signale zu begrenzen. Solche Zenerdioden besitzen zwar auch in Sperrichtung einen sehr

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geringen dynamischen Widerstand, jedoch erst, wenn die Sperrspannung einen bestimmten Wert überschritten hat. An der Diode fällt somit eine beträchtliche Spannung ab, die zusammen mit dem fließenden Strom eine erhebliche Verlustleistung zur Folge hat.

Die Erfindung ermöglicht es dagegen, mit sehr geringem Aufwand verhältnismäßig große Leistungen und sogar Halbwellen beiden Vorzeichens zu steuern. Zu diesem Zweck kann man den Verbraucher über

geordnet, daß in gegenüberliegenden Zweigen jeweils gleichartige Dioden liegen und alle Dioden untereinander jeweils mit gleichnamigen Elektroden verbunden sind.

Bei einer derartigen Anordnung fällt das Ende des Stromflusses durch die Dioden annähernd mit dem Ende der Halbwellen der Speisewechselspannung zusammen. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht

vorrichtung 18 in bezug auf die andere oder zweite Halbwelle der Wechselspannungskurvenform, welche die Speisespannungsquelle 14 liefert, betrieben. Eine Lastvorrichtung 20 wird so betrieben, daß sie den ersten Halbwellenstrom. welcher über die Diodenvorrichtung 12 verläuft, und den zweiten Halbwellenstrom, welcher über die Diodenvorrichtung 18 verläuft, übernimmt. Erne Steuerspannungsquelle 22 wird mit einem Strombegrenzungs-Reihenwiderstand 24 für eine aus zwei gewöhnlichen und zwei hyperkonduk- io das Anlegen einer Sperrspannung während einer tiven Dioden gebildete Brücke an die Speisespan- Halbwelle der von der Spannungsquelle 22 gelieferten nungsquelle anschließen und dem zweiten Klemmen- Steuerspannung an die Diodenvorrichtung 10 und über paar der Brücke eine Steuerwechselspannung zufüh- die Normaldiode 18 betrieben. Dann erhält während ren, deren Phasenlage gegenüber der Speisewechsel- der zweiten Halbwelle der Wechselspannungskurvenspannung abhängig von einer Steuergröße verändert 15 form die hochleitfähige Diodenvorrichtung 16 von werden kann. Die Dioden sind in der Brücke so an- negativem Widerstand eine Sperrspannung von der

Spannungsquelle 22 über die normale Diode 12.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird, wenn die Steuerspannung der Kurvenform 28 folgt und einen Spitzen-20 spannungswert hat, der größer als die Höhe des vorbestimmten Sperrspannungszusammenbruchswertes V₁ ist, gemäß der gestrichelten Niveaulinie 30 der hochleitfähigen Diodenvorrichtungen negativen Widerstandes dann am Punkt 32 der Kurvenform der Steuernun darin, der hyperkonduktiven Diode eine zusatz- 25 spannung 28 eine hochleitfähige Diode, z. B. die liehe Impulsspannungsquelle parallel zu schalten, die Diodenvorrichtung 10, derart zusammenbrechen, daß in einem einstellbaren steuerbaren Zeitpunkt jeder die erste Halbwelle der Wechselspannung 34 die in Halbwelle einen Stromimpuls liefern kann. Bei geeig- Reihe zur Diode 10 geschaltete Normaldiode 12 neter Dimensionierung dieser Impulsspannungsquelle durchläuft und der Lastvorrichtung ein Speisestrom ist es möglich, den dem Verbraucher zugeführten Teil 30 gemäß der schraffierten Fläche der ersten Halbwelle jeder Halbwelle bereits vor dem natürlichen Null- der Spannungskurvenform 34 zugeführt wird. Dann durchgang zu beenden. bricht die zweite Diodenvorrichtung 16 am Punkt 36

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen _auf der Steuerspannungskurvenform 28 derart zusamerläutert. men, daß die zweite Halbwelle der Spannung die

Fig. 2 zeigt eine beispielsweise erfindungsgemäße 35 Normaldiode 18 passiert, um der Lastvorrichtung 20 Steuerkreisanordnung; während der schraffierten Fläche der zweiten HaIb-

Fig. 3 zeigt eine beispielsweise Abwandlung einer _werj_e der Wechselspannungskurvenform 34 Strom zuerfindungsgemäßen Steuerkreisanordnung; zuführen.

Fig. 4 zeigt ein Kurvenschaubild, welches die Phase I_n Fig. 3 ist eine Abwandlung der Steuerkreisanord-

der Steuerspannung in bezug auf die Phase der Speise- 40 nung nach Fig. 2 gezeigt, wobei die hochleitfähigen spannung veranschaulicht, und zwar derart, daß die Dioden in bezug auf die Darstellung nach Fig. 2 um-Steuerspannung der Speisespannung um etwas weni- gekehrt eingeschaltet sind und die Normaldioden ähnger als neunzig elektrische Grade voreilt, und daß die Ii_ch entsprechend umgekehrt in Reihe mit den hoch-Steuerspannung einen Spitzenwert hat, der größer als leitfähigen Dioden eingeschaltet sind. Der Steuerkreis, die Durchbruchsspannung der entsprechenden Di- 45 wie er in Fig. 3 gezeigt ist, ist sonst ähnlich dem odenvorrichtungen ist; Steuerkreis, dar in Fig. 2 gezeigt ist.

Fig. 5 zeigt ein Kurvenschaubild, welches die Ar- I_n Fig. 5 ist eine Steuerspannungskurvenform 40

beitsweise eines erfindungsgemäßen Apparates bei gezeigt, welche einen Spitzenwert hat, welcher der einer sich langsam ändernden Wechselstromsteuer- vorbestimmten Sperrichtungs-Zusammenbruchsspanspannungsquelle veranschaulicht, wobei die Steuer- 50 nung 30 jeder der hochleitfähigen Diodenvorrichtunspannung dar Speisespannung um mehr als neunzig gen entspricht oder größer als diese ist und eine elektrische Grade voreilt, um auf diese Weise während
der gesamten Speisespannungsperiode einen Laststrom zu sichern;

Fig. 6 und 7 zeigen weitere Abwandlungen eines 55 erfindungsgemäßen Steuerapparates;

Fig. 8 zeigt eine Kurve, welche die Arbeitsweise
eines Apparates nach Fig. 7 veranschaulicht.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Steuerkreis gezeigt, wobei eine solche hochleitfähige Diodenvorrich- 60 der gesamten nächsten Halbwelle der entsprechenden rung 10 mit negativem Widerstand in Reihe mit einer Wechselspannungskurvenform leiten. Halbleiterdiode oder einer Gleichrichtervorrichtung Insbesondere kann der Steuerspannungsspitzenwert

12 geschaltet ist, um den Strom, welchen die Speise- von einer zu überwachenden Temperatur oder einem Spannungsquelle 14 liefert, während einer Halbwelle Druck oder einem ähnlichen Zustand, wie er durch der Ausgangswechselspannung zu führen. Eine zweite 65 eine geeignete Fühlervorrichtung übernommen wird, hochleitfähige Diodenvorrichtung 16 von negativem abhängig gemacht werden.

Widerstand wird in ähnlicher Weise mit einer zweiten In Fig. 6 ist eine weitere Abwandlung des Steuernormalen Halbleiterdiode oder einer Gleichrichter- aggregates gezeigt, wobei eine Phasenverschiebervor-

solche Phasenbeziehung hat, daß die gesamten Halbwellen der Wechselspannungskurvenform der Lastvorrichtung 20 zugeführt werden.

In dieser Hinsicht kann die Steuerspannungskurvenform 40 einen sich langsam verändernden Spitzenwert haben, und beim Erreichen des Spitzenwertes von genügend hoher Größe würde jede der hochleitfähigen Diodenvorrichtungen in ihrer Sperrichtung während

richtung 46 im Steuerkreis für die Veränderung der Phase der Steuerspannung, welche von der Spannungsquelle 22 übernommen wird, in bezug auf die Phase des Laststromes vorgesehen ist, welcher die Lastvorrichtung 20 durchfließt. In dieser Hinsichl ist die Phasenschiebervorrichtung 46 wirksam zur Verschiebung des Phasenwinkels der Steuerspannung in der gewünschten Weise in bezug auf den Phasenwinkel des Laststromes, um auf diese Weise die effektive integrierte Fläche der entsprechenden Halbperiodenkurvenformen des von der Spannungsquelle 14 an die Last 20 gelieferten Stromes nach Wunsch zu verändern. In dieser Hinsicht werden irgendwelche Blindwiderstandsänderungen der Lastvorrichtung durch den Steuerapparat kompensiert.

In Fig. 7 ist eine zusätzliche erfindungsgemäße Abwandlung des Steuerapparates gezeigt, in welcher die Steuerspannung von der Spannungsquelle 22 den einleitenden Zusammenbruch der entsprechenden hochleitfähigen Diodenvorrichtungen steuert und auf diese Weise den Anfang des Phasenwinkels der entsprechenden Kurvenform bestimmt, an welchem die Speisespannung zur Stromlieferung an die Lastvorrichtung 20 wirksam wird. Zusätzlich sind Impulsquellen 52 und 54, welche einen hohen Innenwiderstand haben, wenn sie keine Impulse liefern, vorgesehen, um in entsprechender Weise einen Vorwärtsstrom an jede der hochleitfähigen Dioden 10 bzw. 16 zu liefern, der in seinem Wert größer als der in Sperrichtung verbleibende Strom /_s ist, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, und sich von der Spannungsquelle 14 ergibt. Auf diese Weise hat man einen wirksamen Strom zur Speisung der hochleitfähigen Diodenvorrichtungen 10 und 16 in Flußrichtung, um die in der Sperrrichtung der Diode wirksamen Ladungsträger zum Zusammenbrechen zu bringen und auf diese Weise den Stromfluß von der Speisespannungsquelle 14 zur Lastvorrichtung und seinen Verlauf in Sperrichtung über die hochleitfähigen Dioden 10 bzw. 16 zu sperren. Auf diese Weise kann der resultierende Strom, welcher der Lastvorrichtung 20 zugeführt wird, in zweierlei Hinsicht gesteuert werden, und zwar anfänglich in bezug auf den Phasenwinkel der Speisespannung, bei welcher der Strom von der Spannungsquelle 14 einsetzt, der an die Lastvorrichtung 20 geliefert werden soll, und weiterhin in bezug auf den Phasenwinkel der entsprechenden Spannungshalbwelle, bei welchem Strom der Lastvorrichtung nicht langer zugeführt wird.

Das Kurvenschaubild in Fig. 8 veranschaulicht die Arbeitsweise des Steuerapparates, wie er in Fig. 7 gezeigt ist. Der Strom, welcher während einer Halbwelle der Speisespannung von der Spannungsquelle 14 geliefert wird, verläuft z. B. über die normale Diodenvorrichtung 12 und dann über die hochleitfähige Diode 10 in deren Sperrichtung, so daß sich eine Stromkurve 60 ergibt. Wenn jedoch zufolge des Arbeitens der Impulsquelle 52, welche eine Spannung an die hochleitfähige Diode 10 in ihrer Vorwärtsrichtung liefert, um einen Stromfluß 62 zu ergeben, so ergibt sich ein Nettoflußrichtungsstrom über die hochleitfähige Diode 10 oder ein Stromfluß in Sperrichtung, der geringer ist als der verbleibende Strom J_s, und zwar in der Weise, daß bei Beendigung des Stromflusses 62 die Träger für den Stromfluß in der Sperrrichtung über die Diode 10 nicht länger vorhanden sind, so daß am Ende des Stromflusses 62 die hochleitfähige Diode 10 nicht länger in der Sperrichtung während des verbleibenden Teiles der Stromkurvenform von der Spannungsquelle 14 leitfähig ist.

So ist in den Fig. 2, 3 und 6 ein erfindungsgemäßer Steuerapparat gezeigt worden, welcher eine niedrige Leistung und vorzugsweise eine Wechselspannungsquelle mit hohem innerem Widerstand benutzt, um einen Wechselstromlastkreis hoher Leistung ohne die Anwendung einer pulsierenden oder einer Gleichstromsteuerspannung zu schalten, welche an die hochleitfähigen Dioden 10 und 16 negativen Widerstandes angelegt ist. Weiterhin fließt der Laststrom nicht durch die Steuerspannungsquelle, und die hochleitfähigen Dioden führen keinen Strom in ihrer Vorwärtsrichtung, und zwar anders als bei dem Steuerapparat, wie er in Fig. 7 gezeigt ist, so daß es nicht notwendig ist, ihnen Gleichrichter in Flußrichtung parallel zu schalten, um auf diese Weise die Flußverluste herabzusetzen. Weiterhin kann im wesentlichen eine Phasenwinkelsteuerung von einhundertachtzig elektrischen Graden des Ausgangslaststromes mit einem Steuerapparat gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.

Es sollte erfindungsgemäß vorzugsweise eine Steuerspannungsquelle mit hohem Innenwiderstand benutzt werden, oder es sollte eine Vorrichtung von relativ hoher Impedanz, wie z. B. der Schaltungsteil 24, der in Fig. 2 gezeigt ist, in Reihe mit der Steuerspannungsquelle 22 vorgesehen werden.

Um eine Vollwellensteuerung der Speisespannungsquelle in bezug auf die Last zu erreichen, soE die Steuerspannung vorzugsweise der Speisespannung um etwas weniger als 90° voreilen, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, und einen Spitzenspannungswert haben, der größer als die Durchbruchsspannung jeder der Dioden 10 bzw. 16 ist.

Für eine langsam sich ändernde Wechselsteuerspannungsquelle, wenn die Steuerspannung langsam anwächst, bis die hochleitfähigen Dioden in einer Sperrichtung leitfähig werden, sollte die Steuerspannung der Speisespannung um mehr als neunzig elektrische Grade voreilen, um zu sichern, daß der Laststrom der Lastvorrichtnug während der gesamten Speisespannungshalbwelle zugeführt wird. Wenn die Lastvorrichtung mehr induktiv wird, sollte der Phasenwinkel zwischen der Steuerspannung und der Speisespannung geringer sein als nach der Beziehung, welche in Fig. 5 veranschaulicht ist. Wenn die Lastvorrichtung 20 mehr kapazitiv wird, sollte der Phasenwinkel zwischen der Steuerspannung und der Speisespannung größer werden, als er in Fig. 5 für maximalen Laststromzustand dargestellt ist.

Beim Betrieb des Steuerapparates nach der Erfindung und Unterstellung, daß die Steuerspannung von der Spannungsquelle 22 abgeschaltet und gesperrt ist, wird die Speisespannung von der Spannungsquelle 14 die hochleitfähigen Diodenvorrichtungen 10 und 16 nicht in ihrer Sperrichtung zum Zusammenbrechen bringen. Auf diese Weise ist der Laststromkreis geöffnet. Der kleine Verluststrom in Sperrrichtung der hochleitfähigen Dioden 10 und 16 ist der gesamte Strom, welcher in dem Lastkreis fließen wird. Die Steuerspannung 22 ist vom Speisespannungskreis durch die normalen Dioden 12 und 18 getrennt. Wenn die Steuerspannungsquelle 22 für die Lieferung einer Steuerspannung betrieben wird, werden die hochleitfähigen Dioden 10 und 16 durch diese Steuerspannung in ihrer Sperrichtung in der Weise zusammenbrechen, daß der Stromkreis zwischen der

Lastvorachtung 20 und der Speisespannungsquelle 14 ergänzt ist. Die Lastvorrichtung 20 wird infolgedessen von der Speisespannungsquelle 14 Strom beziehen. Auf diese Weise führt die Steuerspannung ein Zusammenbrechen der hochleitfähigen Dioden 10 und 16 herbei, so daß diese einen Stromfluß zur Lastvorrichtung zulassen.

Bei dem Steuerapparat, der in Fig. 7 gezeigt ist, kann das Widerstandsschaltungsglied 24, welches im Stromkreis der Spannungsquelle 22 gezeigt ist, in der Weise erfindungsgemäß tempetraturgängig sein, daß, wenn die Temperatur irgendeiner Steuervorrichtung einen vorbestimmten Wert erreicht, die Steuerspannung von der Spannungsquelle 22 geliefert oder nicht geliefert wird, je nachdem, wie es erwünscht ist, um irgendeine Vorrichtung im Lastkreis, wie z. B. einen Motor gegen Überlastungsströme, zu schützen. Ferner kann der Widerstand 24 spannungsempfindlich sein, um die Anlaßwicklungen von Motoren od. dgl. auszuschalten, oder der Widerstand 24 kann lichtempfindlieh sein, um eine äußere Lichtquelle bei einem gewissen Spiegel der Beleuchtung ein- oder auszuschalten, wie er z. B. für die Steuerung einer Straßenbeleuchtung angewendet werden kann.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung, mit deren Hufe der einem Verbraucher zugeführte Teil der Wechselspannungshalbwellen abhängig von einer Steuergröße gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher über zwei asymmetrisch leitende Vorrichtungen, die mit gleichnamigen Elektroden miteinander verbunden sind, an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, wobei wenigstens eine der asymmetrisch leitenden Vorrichtungen eine hyperkonduktive Diode ist, und daß zu dieser eine Steuerspannungsquelle parallel geschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zur Steuerung beider WechselspanmmgshalbweUen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (20) an die Wechselspannungsquelle (14) über zwei hyperkonduktive (10, 16) und zwei gewöhnliche (12, 18) in Brückenschaltung angeordnete Dioden aufgeschlossen ist, wobei in jeweils gegenüberliegenden Zweigen der Brücke Dioden vom gleichen Typ vorgesehen und alle Dioden untereinander mit gleichnamigen Elektroden verbunden sind und der Verbraucher bzw. die Speisespannungsquelle an die eine Diagonale, die Steuerspannungsquelle an die andere Diagonale der Brücke angeschlossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder hyperkonduktivenDiode eine Impulsspannungsquelle parallel geschaltet ist, mit deren Hilfe der Stromfluß in Sperrichtung durch Impulse in Durchlaßrichtung vorzeitig beendet werden kann.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannung eine Wechselspannung dient.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der Steuerspannung in bezug auf die Speisespannung veränderbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der von der Steuerspannungsquelle gelieferten Wechselspannung größer ist als die Spannung, die erforderlich ist, um die hyperkonduktiven Dioden in Sperrrichtung durchzusteuern.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 848 217;
Elektronische Rundschau (1957), S. 376, 377.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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