DE1438588A1 - Controllable semiconductor valve arrangement - Google Patents
Controllable semiconductor valve arrangementInfo
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Description
Steuerbare HalbleiterventllanordnungControllable semiconductor valve arrangement
Steuerbare Stromrichteranordnungen mit Halbleiterventilen für hohe Spannung erfordern die Reihenschaltung einer verhältnismäßig groiJen Zahl von steuerbaren Halbleiterventilen. Eine gleichmäßige Aufteilung der positiven und der negativen Sperrspannung auf alle Ventile einer solchen Reihenschaltung kann bekanntlich durch einen Spannungsteiler erreicht werden. Da hierbei die Ventile alle auf verschiedenem Potential liegen, bereitet die Steuerung jedes einzelnen Ventils, beispielsweise durch einen üblichen Gitterübertrager, erhebliche Schwierigkeiten; für jedes Ventil ist nämlich u.a. eine gesonderte Sekundärwicklung des Gitterübertragers mit entsprechender Isolierung erforderlich. Ein solcher Gitterübertrager wäre wegen seiner großen Streuung zur Übertragung von Impulsen mit steilen Planken, beispielsweise von Rechteckimpulsen, ungeeignet.Controllable converter arrangements with semiconductor valves for high voltage require the series connection of a relatively large number of controllable semiconductor valves. A steady one Distribution of the positive and negative reverse voltage to all As is known, valves of such a series circuit can be achieved by a voltage divider. Since here the valves are all open different potential, the control of each individual valve prepares, for example by means of a conventional grid transformer, significant difficulties; For each valve there is, among other things, a separate secondary winding of the grid transformer with a corresponding one Isolation required. Such a grid transformer would be used because of its large spread for the transmission of pulses steep planks, for example square pulses, unsuitable.
Kin/DaKin / Da
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809803/0354809803/0354
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Diese Schwierigkeiten werden mit der Erfindung weitgehend vermieden.These difficulties are largely avoided with the invention.
Demgemäß betrifft die Erfindung eine steuerbare Halbleiterventilanordnung für hohe Spannung mit einer Reihenschaltung von mehreren Ventilen, denen je ein Glied eines ohmschen oder eines kapazitivohms.chen Spannungsteilers parallelgeschaltet ist. Eine solche Anordnung wird erfindungsgemäß in der Weise verbessert, daß bei Verwendung von solchen steuerbaren Halbleiterventilen, welche wie Stromtore mittels einer Steuerspannung über eine besondere Steuerelektrode zündbar sind, in Reihe mit den steuerbaren Halbleiterventilen ein in Flußrichtung dieser Ventile gepoltes, nichtgesteuertes Ventil angeordnet ist, daß ferner von der Reihenschaltung nur ein steuerbares Ventil, dem ein in Sperrichtung des Ventils gepoltes Hilfsventil parallelgeschaltet ist, an eine besondere Steuerspannungsquelle üblicher Art angeschlossen ist, und daß die Steuerelektroden der übrigen steuerbaren Ventile mit den Abgriffe.n eines kapazitiven " Steuerspannungsteilers, welcher die gesamte Reihenschaltung der Ventile überbrückt, in gleichlaufender Reihenfolge verbunden sind.Accordingly, the invention relates to a controllable semiconductor valve arrangement for high voltage with a series connection of several valves, each of which has a member of an ohmic or a capacitive ohmic Voltage divider is connected in parallel. Such an arrangement is improved according to the invention in such a way that when used of such controllable semiconductor valves, which like current gates by means of a control voltage via a special control electrode are ignitable, in series with the controllable semiconductor valves, a non-controlled valve polarized in the flow direction of these valves it is arranged that, furthermore, only one controllable valve of the series connection, to which an auxiliary valve polarized in the blocking direction of the valve is connected in parallel, is connected to a special control voltage source of the usual type, and that the control electrodes of the other controllable valves with the tapping points of a capacitive " Control voltage divider, which controls the entire series connection of the valves bridged, connected in the same sequence.
Eine solche Halbleiterventilanordnung kann in der Weise gesteuert werden, daß nur ein Ventil von der besonderen Steuerspannungsquelle, vorzugsweise von einem Steuersatz, gezündet wird und die übrigen Ventile nacheinander durch Potentialverschiebung im Steuerstromkreis gezündet werden. Mit dem kapazitiven Spannungsteiler werden die Steuerelektroden der nicht an die Steuerspannungsquelle angeschlossenen steuerbaren Ventile auf einem solchen Potential gegenüber ihrer Kathode gehalten, daß kein Zündstrom fließen kann. Die Stromfe£re sind somit" gesperrt. Durch die Zündung des an den Steuersatz Äinge·· schlossenen Stromtores wird die Potentialverteilung an den Steuer-Such a semiconductor valve arrangement can be controlled in this way be that only one valve from the particular control voltage source, preferably from a control set, is ignited and the rest Valves one after the other through potential shift in the control circuit be ignited. With the capacitive voltage divider, the control electrodes are not connected to the control voltage source controllable valves held at such a potential with respect to their cathode that no ignition current can flow. The power fair are thus "blocked. By the ignition of the Äinge ·· closed power gates, the potential distribution to the control
. 2 - "'BAD OK-QlSMAL. 2 - "'BAD OK-QISMAL
8*09803/03548 * 09803/0354
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elektroden der übrigen Ventile so geändert, daß ein Zündstrom fließt, durch den alle in Reihe geschalteten Stromtore durchlässig gemacht werden.electrodes of the other valves changed so that an ignition current flows through which all series-connected power gates are permeable be made.
Die Wirkungsweise der Steuerung soll anhand der Zeichnung näher : erläutert werden. Ein Schaltungsbeispiel einer steuerbaren HaIb-. leiterventilanordnung nach der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung.The mode of operation of the control is to be explained in more detail with the aid of the drawing. A circuit example of a controllable Halb. Ladder valve assembly according to the invention is shown in FIG. Fig. 2 shows an advantageous further embodiment.
Pig. 1 zeigt eine Halbleiterventllanordnung, die beispielsweise ein Teil eines Stromrichters mit einer Reihenschaltung von pnpn-Vierschicht-Halbleiterventilen sein kann, mit einer Reihenschaltung von steuerbaren Halbleiterventjlen 2 bis 5 und einem nichtsteuerbaren Ventil 6, welches beispielsweise ein Halbleitergleichrichter sein kann. Bei den verwendeten Vierschichthalbieiterventilen ist die äußere η-Schicht die Kathode, die äuiiere p-Schicht die Anode und die mittlere p-Schicht die Steuerelektrode. Parallel zu den Ventilen 2 bis 6 ist je ein Widerstand 8 bis 12 als Spannungsteiler angeordnet. Die Anordnung dieser Parallelwiderstände,Pig. 1 shows a semiconductor valve arrangement which, for example a part of a converter with a series connection of pnpn four-layer semiconductor valves can be, with a series connection of controllable semiconductor valves 2 to 5 and a non-controllable valve 6, which is for example a semiconductor rectifier can be. With the four-layer semi-conductor valves used the outer η-layer is the cathode, the outer p-layer the anode and the middle p-layer the control electrode. In parallel to the valves 2 to 6 there is a resistor 8 to 12 as a voltage divider arranged. The arrangement of these parallel resistors,
• welche Im folgenden Text als Hauptspannungsteiler bezeichnet werden soll, bewirkt eine gleichmäßige Aufteilung der Sperrspannung auf die einzelnen Ventile 2 bis 6. Die Steuerelektrode 2c des Ventils 2 ist über einen Vorwlderstand 1? und einen Steuerübertra-• which are referred to as main voltage dividers in the following text is, causes an even distribution of the reverse voltage on the individual valves 2 to 6. The control electrode 2c of the valve 2 is over a pre-forest level 1? and a tax transfer
ί ger 18 mit einem Steuersatz 19*·welcher die Zündimpulse für das '.;■■ Ventil 2 liefert, verbunden. Parallel zurr. Ventil 2 ict ferner ein in Sperr!chtung dieses Ventils gepolteü Hilfsventil 7 angeordnet. Die Kathode 2a des Ventils 2,welche Nullpotential hat, ist über einen Kondensator 13 mit der'Steuerelektrode deq Ventile j5 verbunden.ί ger 18 with a control set 19 * · which supplies the ignition pulses for the '.; ■■ valve 2, connected. Parallel to the Valve 2 is also an auxiliary valve 7 which is polarized in the blocking direction of this valve. The cathode 2a of the valve 2, which has zero potential, is connected to the control electrode deq valves j5 via a capacitor 13.
Zwischen der Steuer-elektrode des Ventil* 3 und derjenigen desBetween the control electrode of the valve * 3 and that of the
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
809803/0354 _ 5 . KiniDa809803/0354 _ 5 . K iniDa
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Ventils .Λ liegt ein Kondensator 14c Die Steuerelektrode des Ventils 4 ist in gleicher Weise über einen Kondensator 15 Mit der Steuerelektrode des Ventils 5 verbundeno Zwischen der Anode des . img-a steuerten Ventils 6 und der Steuerelektrode des- Vantils 5 ist ein Kondensator 16-geschaltet*. Die Kondensatoren lj?5 11^ und 15 haben gleiche Kap&sität5 der Kondensator lö hat die halbe Kapazität eines dieser Kondensatoren» Die .Anordnung der Kondensatoren \J> bis 16 soll im folgender» Text als Steuerspannwigs teiler- foezeiehns-t werden» ,Die Kondensatoren des Etsuerspannungsteilers und die wider-Stands des Hauptspaimungsteiler-s sind- so bemessen,, claS die Spannung der Steuereiektroden der Ventile jS bis -__■. gsgeiV.'cer ihren Kathoden negativ ist0 Bei negativer Sparr^pa^nung an der gesamten reihenschaltung verhindert das Hilfsventil 7' einen -^pannungsabfa^l ΰ.ΐι Widerstand 8 und die gesamte Sperrspannung verteilt sieh auf d:l-j Widerstände 9 bis 12„ Mimmt man beispielsweise -100 V als Augenbllcksvjert der negativen Sperrspannung an der gesaraten Reihenschaltung ana so hat die Kathode des Ventils .";; wegen dee Ventils das Potential Null, die Kathode dec Ventils ^ das Fotential -2v3 V und die Kathode des Ventils 5 dar Potential -50 V„ Das Ventil '( hat auf die Potentiale der Steuerelektroden der Ventile 3 bis 5 keinen Einfluß. Die Spannung an den Steuerelektrode!-' vorteilt sich entsprechend den Kapazitäten. Die Steuerelektrode dec Ventils 3 hat ein Potential von -20 V, die Steuerelektrode des Ventils 4 hat -hO V, die Steuerelektrode des Ventils 5 hat -όΟ V und arn Kondensator 16 fällt entsprechend der halben Kapazität die Restspannung von -hO V ab. Somit ist die Spannung der Steuerelektrode gegenüber der Kathode bei den Ventilen 3 bis 5 negativ. Solange das Ventil 2 nicht gezündet ist, bewirkt bei positiver Sperrspannung an der gesamten Reihenschaltung das Ventil 6 eine Verteilung der Sperrspan-Valve .Λ is a capacitor 14c The control electrode of the valve 4 is connected in the same way via a capacitor 15 to the control electrode of the valve 5 o between the anode of the. img-a controlled valve 6 and the control electrode of the valve 5 is a capacitor 16-connected *. The capacitors lj? 5 1 1 ^ and 15 have equal Cape & intensity 5 of the capacitor has lö half the capacity of these capacitors' The .Arrangement the capacitors \ J> to 16 to "in the following text as Steuerspannwigs divider foezeiehns-t be," The capacitors of Etsuerspannungsteilers and the resistance of the main circuit divider is dimensioned in such a way that the voltage of the control electrodes of the valves jS to -__ ■. gsgeiV.'cer its cathode is negative 0 In the case of negative energy saving on the entire series circuit, the auxiliary valve 7 'prevents a voltage dropping resistor 8 and the entire reverse voltage is distributed over d: lj resistors 9 to 12 ;; "Mimmt, for example, -100 V as Augenbllcksvjert the negative barrier voltage on the gesaraten series circuit of a so has the cathode of the valve." because dee valve, the zero potential, the cathode dec valve ^ the Fotential -2 V 3 V and the cathode of valve 5 has a potential of -50 V "The valve '( has no influence on the potentials of the control electrodes of valves 3 to 5. The voltage on the control electrode! -' is advantageous according to the capacities. The control electrode of valve 3 has a potential of -20 V, the control electrode of valve 4 has -hO V, the control electrode of valve 5 has -όΟ V and the remaining voltage of -hO V drops by capacitor 16 corresponding to half the capacity trode negative compared to the cathode in valves 3 to 5. As long as valve 2 is not ignited, if the blocking voltage is positive across the entire series circuit, valve 6 distributes the blocking voltage.
809803/0354 . n „ BAD üAoüwal. Kln/Da 809803/0354. n “BAD üAoüwal. Kln / Da
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nung am Hauptspannungsteiler auf die Widerstände 8 bis 11. Mit einem Augenblickswert der positiven Sperrspannung von beispielsweise +100 V ergibt sich folgende Potentialverteilung an den Kathoden: Ventil j5 +25 V, Ventil 4 + 5OV, Ventil 5 +75 V; an den Steuerelektroden: Ventil 3 +20 V, Ventil 4 +40 V, Ventil 5 +60 V. Somit wird durch die Ventile 6 und 7 die Potentjalverteilung am Hauptspannungsteiler in Abhängigkeit von der auftretenden Sperrspannung, deren Richtung beim gesteuerten Stromrichter innerhalb einer Periode mehrmal wechseln kann, so beeinflußt, daß die Spannung der Steuerelektrode der Ventile 3 bis 5 gegenüber ihrer Kathode stets negativ ist und die Ventile gesperrt bleiben. Wird während positiver Sperrspannung an der Reihenschaltung vom Steuersatz 19 über den Steuerübertrager 18 ein Steuerimpuls auf das Ventil 2 gegeben, so wird dies gezündet und das Potential der Anode 2b sinkt auf Null. Damit wird das Potential der Steuerelektrode des Ventils positiv gegenüber seiner Kathode, weiche ,jetzt auf Nullpotential liegt. Diese Potentialverschiebung bewirkt eine Entladung des Kon- voltage on the main voltage divider to resistors 8 to 11. With an instantaneous value of the positive reverse voltage of, for example, +100 V, the following potential distribution results at the cathodes: valve j5 +25 V, valve 4 + 5OV, valve 5 +75 V; at the control electrodes: valve 3 +20 V, valve 4 +40 V, valve 5 +60 V. Thus, through valves 6 and 7, the potential distribution on the main voltage divider is dependent on the reverse voltage that occurs, the direction of which in the case of the controlled converter several times within one period can change, so influenced that the voltage of the control electrode of the valves 3 to 5 is always negative with respect to their cathode and the valves remain locked. If a control pulse is given to the valve 2 via the control transmitter 18 during a positive reverse voltage on the series circuit from the control set 19, this is ignited and the potential of the anode 2b drops to zero. This means that the potential of the control electrode of the valve is positive compared to its cathode, which is now at zero potential. This potential shift causes a discharge of the con-
densators 13 über die Steuerelektrode des Ventils 3> und dieses Ventil wird ebenfalls durchlässig. Damit wird der Spannungsabfall am Ventil 3 Null und der gleiche Vorgang wiederholt sich mit dem Ventil 4, welches durch den Entladestrom des Kondensators 14 gezündet wird, sowie mit dem Ventil b. Somit wird fast gleichzeitig mit der Zündung des Ventils 2 die gesamte Reihe der Halbleiterventile gezündet.capacitor 13 via the control electrode of valve 3> and this valve also becomes permeable. The voltage drop at valve 3 is thus zero and the same process is repeated with the Valve 4, which is ignited by the discharge current of the capacitor 14, as well as with the valve b. Thus it is almost simultaneously with the ignition of valve 2, the entire row of semiconductor valves ignited.
In Fig. 2 ist die Steuerung eines Hodhspannungsgleichstrommotors mittels eines Stromrichters, der eine Halbleiterventilanordnungx nach der Erfindung enthält, veranschaulicht. Der Stromrichter wird aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S und T über einen Trans-In Fig. 2, the control of a high voltage direct current motor by means of a converter which contains a semiconductor valve arrangement x according to the invention is illustrated. The converter is made from a three-phase network with phases R, S and T via a trans-
p- _ Kin/daßADp- _ Kin / dassAD
809803/0354 ~809803/0354 ~
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formator mit der Primärwicklung 20 und der Sekundärwicklung 21 ■ gespeist. Der Stromrichter enthält in jeder Phase eine Reihenschaltung von beispielsweise 10 Stromtoren mit einer zulässigen Sperrspannung von je 400 Volt. Die Anordnung der Stromtore mit den Beschaltungselementen ist in jeder Phase gleich, es wurde deshalb die Schaltung nur in der Phase'R dargestellt» Mit den Halbleiter-· ventilen 23 bis 32, von denen der Einfachheit halber nur die Ventile 23, 24, 25 sowie .31 ;und 32 eingezeichnet sind, ist ein. nicHtsteuerbares Halbleiterventil 33 in;Reihe geschaltet. Jedem Ventil ist als Hauptspannungsteiler eine Parallelschaltung je. eines der Widerstände 34 bis 44 und eine der Kapazitäten 4"5 bis 55 parallelgeschaltet. Den Kondensatoren 56 bis 65 des Steueirspännungsteilers kann vorteilhaft noch je ein ohmscher Widerstand 6? bis 76 parallelgeschaltet werden. Zwischen der Steuerelektrode und der Kathode der steuerbaren Halbleiterventile; 24 bis 32; ist ein ohmscher Wider- . stand 78 bis 86 angeordnet. Ferner ist den Steuerelektroden der; ^Ventile 24 bis 32 eine in Durchläßrichtung des Steuerstromes ge*· polte Diode 87 bis 95 vorgeschaltet. Die Diode verhindert in Verbindung mit dem zwischen Steuerelektrode und Kathode angeordneten !Widerstand, das Auf treten einer unerwünschten negativen Spannung; der Steuerelektrode gegenüber ihrer Kathode .'Die Größe der Widerstände 78 bis 86 wird vorteilhaft klein gewählt im Vergleich zum Sperrwiderstand der Dioden 87 bis 95· In. Verbindung mit einem Vierschichten-Halbleiterventil für ca. 10 A und einer maximalen Sperrfähigkeit von ca.. . 500 V könnte beispielsweise ein Widerstand von ca. 100 0hm verwendet werden. Diese Widerstände verhindern gleichzeitig ein Absinken der positiven Sperrfähigkeit der Stromtore; mit zunehmender Temperatur. Parallel zu der gesamten Reihenschaltung, kann vorteilhaft ein ohmscher Widerstand 96 in Reihe mit ■ ■- ■ > ' , r Kin/Da ;transformer with the primary winding 20 and the secondary winding 21 ■ fed. In each phase, the converter contains a series connection of, for example, 10 current gates with a permissible reverse voltage of 400 volts each. The arrangement of the current gates with the wiring elements is the same in every phase; the circuit was therefore only shown in phase R. With the semiconductor valves 23 to 32, of which only valves 23, 24, 25 and .31 ; and 32 are drawn is a. Non-controllable semiconductor valve 33 connected in series. Each valve is connected in parallel as the main voltage divider. one of the resistors 34 to 44 and one of the capacitors 4 "5 to 55 are connected in parallel. The capacitors 56 to 65 of the control voltage divider can advantageously each be connected in parallel with an ohmic resistor 6? to 76. Between the control electrode and the cathode of the controllable semiconductor valves; 24 to 32; an ohmic resistor 78 to 86. Furthermore, the control electrodes of the valves 24 to 32 are preceded by a diode 87 to 95, which is polarized in the flow direction of the control current Resistance arranged at the cathode, the occurrence of an undesirable negative voltage; the control electrode opposite its cathode. The size of the resistors 78 to 86 is advantageously chosen to be small compared to the blocking resistance of the diodes 87 to 95. In connection with a four-layer semiconductor valve for approx. 10 A and a maximum blocking capacity of approx ... 500 V could, for example, be a resistor nd of approx. 100 ohms can be used. At the same time, these resistances prevent the positive blocking capability of the current gates from falling; with increasing temperature. In parallel with the entire series circuit, an ohmic resistor 96 can advantageously be connected in series with ■ ■ - ■>', r Kin / Da;
■■. ! 809803/0354 '-- :6 ■" ι Bmoma ' ■■. ! 809803/0354 '-: 6 ■ "ι Bmoma'
f.f.
einer Kapazität 97 angeordnet werden, welche das Auftreten von Zündschwingungen beim Zünden der Halbleiterventile verhindern. Dem steuerbaren Ventil 2j5 ist ein in Sperrichtung dieses Ventils gepoltes Hilfsventil 98 parallelgeschaltet. Wird während positiver Anodenspannung vom Steuersatz 100 ein Steuerimpuls,, dessen Phasenlage z.B. mittels eines Steuerpotentiometers 101 verändert werden kann, über einen Steuerübertrager 102 und einen Vorwiderstand 105 auf das Ventil 23 gegeben, so wird dieses Ventil gezündet. Damit wird das Potential an •seiner Anode Null. Durch die damit verbundene Potentialverschiebung an der Kathode der übrigen Ventile werden nacheinander sämtliche ge-.steuerten Ventile der Reihenschaltung gezündet, wie bereits anhand der Fig. 1 gezeigt wurde. Damit wird die gesamte Reihe der Ventile durchlässig und es fließt ein Strom in der Phase R. In gleicher Weise kann der Strom in der Phase S durch einen Impuls über den Steuerübertrager 105 und den Vorwiderstand 106 auf eir« steuerbares Ventil der Phase S gegeben werden und damit die Reihenschaltung der Ventile in der Phase S durchlässig gemacht werden. Der Vorgang wiederholt sich in gleicher Weise für die Phase T. Die Reihenschaltung der Halbleiterventile wird in jeder Phase durch eine-vorgeschaltete Sicherung 22 geschützt. Der Gleichstrom fließt über eine Glättungsdrossel 108, über den Schalter 109 und durch den Anker 111 des Motors, welcher über eine Wicklung 112 fremderregt wird.a capacitance 97 are arranged, which prevents the occurrence of ignition oscillations when igniting the semiconductor valves. The controllable valve 2j5 is an auxiliary valve polarized in the reverse direction of this valve 98 connected in parallel. If during positive anode voltage from the control set 100 a control pulse, whose phase position e.g. by means of a control potentiometer 101 can be changed via a control transformer 102 and a series resistor 105 to the valve 23 given, this valve is ignited. This will increase the potential • its anode zero. Due to the associated shift in potential At the cathode of the other valves, all of the valves that are controlled are one after the other Valves of the series connection are ignited, as has already been shown with reference to FIG. 1. This will make the entire row of valves permeable and a current flows in phase R. In the same way the current in phase S can be controlled by a pulse via the control transmitter 105 and the series resistor 106 on a controllable valve of the Phase S are given and thus the series connection of the valves in the phase S can be made permeable. The process is repeated in the same way for phase T. The series connection of the semiconductor valves is protected in each phase by an upstream fuse 22. The direct current flows over a smoothing choke 108 the switch 109 and through the armature 111 of the motor, which has a Winding 112 is externally excited.
4 Patentansprüche
2 Figuren4 claims
2 figures
BADBATH
Kin/Da 809803/035 4Kin / Da 809803/035 4
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1960
- 1960-07-29 DE DE19601438588 patent/DE1438588A1/en active Pending
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1961
- 1961-06-05 CH CH653761A patent/CH390379A/en unknown
- 1961-07-28 GB GB27577/61A patent/GB913978A/en not_active Expired
- 1961-07-28 FR FR869444A patent/FR1339503A/en not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
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CH390379A (en) | 1965-04-15 |
FR1339503A (en) | 1963-10-11 |
GB913978A (en) | 1962-12-28 |
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