DE1563385B2 - Zündsteuersatz für eine mehrpulsige Strom richterschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zündsteuersatz für eine mehrpulsige Stromrichterschaltung mit η Stromrichtern, der für jeden Stromrichter einen separaten ÄC-Zeitkreis zur zeitlichen Festlegung seines Zündimpulses enthält. Ein solcher Zündsteuersatz ist bekannt (»Silicon Controlled Rectifier Manual« 2. Ausgabe, 1961, Seite 132). Bei dieser bekannten Anordnung ist jedem Zeitkreis eine eigne Zenerdiode zugeordnet, deren Durchbruchsspannung als Synchronisations- und Versorgungsspannung vorgesehen ist. Als Nachteil dieser Anordnung hat sich erwiesen, daß durch die Herstellungstoleranzen sowie die unterschiedlichen Temperaturgänge der einzelnen Zenerdioden eine beträchtliche Unsymmetrie bei den einzelnen steuerbaren Stromrichtern auftritt, welche in einer nicht mehr hinnehmbaren ungleichmäßigen Belastung der' Stromrichter und einer unerwünschten Gleichstrombelastung des Netzes resultiert.

Es ist auch bereits ein einfacher dreiphasiger Steuersatz für drei steuerbare Stromrichter bekannt, deren Zündimpulse von einem einzigen .RC-Zeitkreis festgelegt werden (»Silicon Controlled Rectifier Manual«, 3. Ausgabe, 1964, S. 148, 149). Bei diesem Steuersatz liegt eine dreiphasige Spannung an einer Reihenschaltung von η kathodenseitig miteinander verbundenen Dioden, einem Potentiometer und einer gemeinsamen Zenerdiode mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung. Der Steuersatz gibt gleichzeitig Zündimpulse an sämtliche drei steuerbaren Stromrichter. Es wird jeweils derjenige Stromrichter leitend, dessen Anode das positivste Potential aufweist. Mit diesem Steuersatz kann die Ausgangsspannung eines Stromrichters jedoch nur zwischen 25°/o und 1OQ⁰Zo ihres Maximalwertes geregelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Steuersatz der eingangs genannten Art für alle ÄC-Zeitkreise die gleiche Synchronisationsspannung vorzusehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine n-phasige Spannung die Reihenschaltung von η kathodenseitig miteinander verbundenen Dioden mit einer gemeinsamen Zenerdiode entgegengesetzter Durchlaßrichtung beaufschlagt und daß die Synchronisationsspannungen für die einzelnen Zeitkreise zwischen den Anoden dieser Dioden und einem Spannungsbezugspunkt abgenommen sind.

Neben einer Ersparnis an Halbleiterbauelementen wird erreicht, daß die Herstellungstoleranz und der Temperaturgäng der als Spannungsnormal verwendeten Zenerdiode auf alle Zeitkreise in gleichem Umfange einwirkt und deshalb von diesen Einflüssen keine Zündwinkelunsymmetrie bei den einzelnen steuerbaren Stromrichterventilen zu befürchten ist.

Bei den bekannten Steuersätzen stellt meistens der Kondensatorentladestrom des /?C-Zeitkreises den

punkt (Zündverzögerungswinkel α = 0) des ent-■ sprechenden Ventils zusammenfällt, was z. B. durch , geeignete Wahl der primärseitigen Schaltungsart ν.- ohne weiteres erreicht werden kann. Die Ausgangs-5 klemmen U, V, W sind über Widerstände 6 an die Anoden dreier kathodenseitig miteinander verbundener Dioden 7 geführt, zwischen deren Verbindungspunkt und dem mit Mp bezeichneten Sternpunkt der Transformatorsekundärseite eine Zenerdiode 8 ge-

Zündstrom für ein Stromrichterventil dar. Unter- io schaltet ist. Werden die Anoden der Dioden 7 mit schiede in den Kenndaten dieser Schaltelemente den Eingangsklemmen 9,10 und 11 der Zeitkreis r, konnten dazu führen, daß der Entladezustand der
Kondensatoren in den einzelnen Zeitkreisen unter

schiedlich war, so daß aus diesem Grund keine Sym-

s und t verbunden, so steht zwischen diesen und dem Sternpunkt Mp während der die Dioden 7 in Durchlaßrichtung beaufschlagenden Halbwellen der Sekun-

metrierung der Zündimpulse in den einzelnen Phasen 15 därspannungen des Transformators 5 eine im wesentgewährleistet war. Es wurde also vorteilhaft erkannt, liehen konstante Spannung an, welche von der den Zeitkreiskondensator von der zusätzlichen Auf- Durchbruchsspannung der . gemeinsamen Zenergabe der Steuerstromlieferung an ein Schaltglied zu diode 8 bestimmt ist. Jedem Zeitkreis r, s, t wird also entlasten und gleichzeitig für seinen definierten Ent- im Anschluß an den natürlichen Zündzeitpunkt des ladungszustand während der negativen Halbwelle 20 ihm zugeordneten gesteuerten Ventils IR, IS, IT der Synchronisationsspannung zu sorgen, indem ge- während einer Halbperiode.eine konstante Synchromäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung der nisationsspannung zugeführt, während in den sich Ladekondensator über zwei Dioden antiparalleler anschließenden Halbperioden ein Strom über Dioden Durchlaßrichtung, die in Reihe mit je einem Wider- 12, 13 bzw. 14 und den ihnen zugeordneten Widerstand angeordnet sind, an der Synchronisationsspan- 25 ständen 6 getrieben wird, so daß die zwischen den nung liegt und dieser eine weitere Diode parallel ge- Klemmen 9, 10 bzw. 11 und Mp auftretenden Spanschaltet ist. Wesentlich'hierbei ist der nicht über die nungen dann auf den Schwellspannungswert der Steuerstrecke des nachgeschalteten Schaltgliedes ver- Dioden 12 bis 14 begrenzt sind. : laufende Entladestromweg des Zeitkreiskonden- Die Vorgänge in den einzelnen Zeitkreisen sind

sators, wobei im Verein mit der parallelgeschalteten 30 prinzipiell dieselben und nur um 360/n° gegenein-Diode sichergestellt wird, daß stets vor Beginn des ander phasenverschoben. Es genügt daher, im einnächsten Zündimpulses ein definierter Entladezu- zelnen die Wirkung des mit r bezeichneten Zeitstahd erreicht ist. An Stelle der zuletzt genannten kreises zu beschreiben. In der die Diode 7 in DurchDiode kann auch ein anderes, insbesondere Steuer- laßrichtung beaufschlagenden positiven Spannungsbares Halbleiterelement den Entladestrompfad 35 halbwelle der Sekundärspannung U beginnt sich der schließen. Kondensator 15 über eine Diode 16 und den Wider

stand 17 auf den Wert der I konstanten^ von der Durchbruchsspannung der Zenerdiode 8 bestimmten Spannung aufzuladen, welche zwischen den Klem-40 men 9 und Mp auftritt. Die Zeitkonstante des; Kondensatorladestromkreises ist so bemessen,: daß der Anstieg der Kondensatorladespannung - zumindest während einer Halbwellendauer weitgehend zeitlinear erfolgt. Nach Beginn der negativen; Halbwelle der

drei ungesteuerten Ventilen 2 besteht. An drei mit i?, 45 Synchronisationsspannung erfolgt die Entladung des S und T bezeichneten Klemmen ist ein übliches Kondensators 15 über die Diode 18^ den Widerstand Drehstromsystem angeschlossen, während eine Be- 19 und die in der negativen Synchronisationshalblastung 3 auf der Gleichstromseite zwischen den mit welle vorgeflutete Diode 12. Da für: die Entladung + und — bezeichneten!Klernmen liegt; An die des Kondensators 15 eine ganze:Halbwelle der Syn-Steuerelektroden der Stromrichter IR, IS und 1T 50 chronisationsspannung zur Verfügung steht; kann die werden von Übertragern 4 r, 4sund At Zündimpulse Entladezeitkqnstante relativ groß bemessen werden, gegeben.';."'/'.;.?,:!;:''".T..."'.', -"J''^., was sich günstig apf Zündwinkelverfälschungen in-

Der erfindungsgemäße Steuersatz enthält drei mit folge von Spannungseinbrüchen aufr der Netzseite r, s und t bezeichnete Zeitkreise gleichen, Aufbaus, auswirkt. Es muß nur bei der^ Festlegung der Entwovon jeder im Prinzip aus einem ÄC-Glied 16,15 55 ladezeitkonstanten, beachtet werden, daß sich der besteht, dessen Kondensatorladespännung den Be- Kondensator 15.,innerhalb der negativen;Halbwelle ginn des Zündimpulses für. den jeweils zugeordneten der ^ Synchrpnisationsspannung definiert auf den Stromrichter festlegt, sowie einer aus mehreren Tran- Schwellspannungswert: der Diode 12 entladen kann, sistoren 20,21,22 bestehenden" Verstärkerstufe zur Erreicht beim Aufladevorgang die; Kondensatorleistungsgerechten Aufbereitung der Zündimpulse. 60 spannung und damit das Potential der Anode der Die Synchronisationsspannung für die einzelnen Zeit- Diode 16: einen Wert, der höher ist als das entkreise r, s, t ist von den Ausgangsklemmen U, V und sprechend dem:gewünschten Zündwinkel^? wählbar W eines sekundärseitig im Stern geschalteten Drei- festgelegte Emitterpotential des Transistors 20 r, so phasehtransformators 5 abgeleitet. Die Phasenlage wird dieser durchlässig und steuert seinerseits einen Sekundärspannungen des Transformators 5 wird in 65 mit seinem Emitter an eine Gleichspannungsquelle F bezug auf die Spannungen an den Stromrichter- positiver Polarität angeschlossenen Transistor 21 r ventilen Ii?, 15 und IT so gewählt, daß ihr Null- durchlässig,.wodurch sich ein Steuerstrom für den Durchgang mit dem jeweiligen natürlichen Zündzeit- Transistor 22 r über einen Widerstand 23 r und eine

Ein Ausfühnmgsbeispiel der Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die Gegenstände von Unteranspriichen sind, seien an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. la und Ib zeigen ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Steuersatzes bei einer dreipulsigen halbgesteuerten Brückenschaltung, welche aus drei gesteuerten Ventilen 1/2, IS und IT sowie

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Zenerdiode 24 r ergibt. Der Transistor 22 r kann da- der Mehrphasengleichrichter 28 geschaltet, an dessen durch schlagartig in seinen durchlässigen Zustand zweckmäßigerweise durch einen Kondensator 29 gegebracht werden und gibt über den Übertrager 4 r glätteter Gleichspannung zwei Widerstände 30 und einen entsprechenden Zündimpuls an den Steuer- 31 angeschlossen sind, welche so dimensioniert sind, baren Stromrichter IR ab. 5 daß bei nicht an ihrem Verbindungspunkt ange-Die Größe des Emitterpotentials der Transistoren schlossener Diode 32 ein Potential entsteht, das 2Or, 2Oi, 2Oi bestimmt den Beginn des Zündimpul- größer ist als dasjenige der Zenerdiode 8. Wird die ses und damit den Zündwinkel α der gesteuerten Anode der Diode 32 an den Verbindungspunkt der Stromrichter IR, IS, IT. Das Ende des von jedem Widerstände 30 und 31 angeschlossen, so ist die Zeitkreis gelieferten Zündimpulses ist festgelegt io Diode 32 dauernd stromdurchflossen und ihre Anode durch das Ende der positiven Synchronisationsspan- nimmt ein Potential an, das stets in fester Abhängignungshalbwelle, es sei denn, es würde ein Zünd- keit zu dem durch die Durchbruchsspannung der impuls von dem ihm phasenzyklisch nächstfolgenden Zenerdiode 8 gegebenen Potential steht. In gleicher Zeitkreis zeitlich früher erzeugt. In diesem Falle, Weise ist auch das Potential der am Schleifer des d. h. also bei Durchlässigwerden das phasenzyklisch 15 Potentiometers 31 einstellbaren Emittergleichspannächstfolgenden Ausgangstransistors erscheint an nung für die Transistoren 20r, 20 s und 2Oi von der dessen Kollektor ungefähr das Potential der mit Mp Durchbruchsspannung der Zenerdiode 8 abhängig. bezeichneten Klemme und zieht über Begrenzungs- Schwankungen der Zenerdiodenspannung haben dioden 25 (bzw. 26 oder 27) das Basispotential des dann im gesamten Vorstellbereich keinen Einfluß Ausgangstransistors des vorherigen Zeitkreises eben- 20 auf den Zündwinkel.

falls auf diesen Wert. So erscheint z. B. am Verbin- Für den Fall, daß eine Abhängigkeit des Emitterdungspunkt des Widerstandes 23 r und der Zener- potentials der Transistoren 2Or, 20 s, 2Oi von der diode 24 r durch die Wirkung der Begrenzungsdiode Durchbruchsspannung der Zenerdiode 8 nur beim 25 ein Potential, welches bei durchlässig gesteuertem Maximalwert der einstellbaren Spannung gewünscht Ausgangstransistors 22 s etwa der Summe der 25 ist, wird durch die am Potentiometer 31 abgegrif-Schwellspannungen des Transistors 22 s und der Be- fene Gleichspannung nur die maximale Ausgangsgrenzungsdiode 25 entspricht. Wird die Durch- spannung eines Gleichspannungsverstärkers 37 bebruchsspannung der Zenerdiode 24 r so bemessen, grenzt, indem bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach daß sie größer ist als die Summe der vorerwähnten Fig. 1 die Schaltbrücke zwischen den mit 33 und 34 Schwellspannungen, so reicht das Potential an ihrer 30 bezeichneten Klemmen entfernt und die gestrichelt Kathode nicht aus, um den Transistor 22 durch- eingezeichneten Schaltbrücken zwischen den Kiemlässig zu steuern. Unabhängig von dem im Zeitkreis r men 33 und 35 einerseits bzw. 34 und 36 anderererreichten Aussteuerungszustand des Ausgangstran- seits angebracht werden. Auf diese Weise wird die sistors22r wird also dessen Sperrung bei Leitend- Ausgangsspannung des als Regelverstärker ausgebilwerden des ihm phasenzyklisch folgenden Ausgangs- 35 deten Gleichspannungsverstärkers 37 entsprechend transistors 22 s erzwungen. Derselbe Effekt tritt auch der an seinem Eingang auftretenden Regelabweibei den anderen in Reihe mit den Übertragern'4 s chung, d. h. der Differenz zwischen einem mit + be- und 4/ geschalteten Ausgangstransistoren 22 s, 22 i zeichneten Sollwert und einem mit — bezeichneten auf. Es wird somit sichergestellt, daß niemals zwei Istwert, die Höhe des Emitterpotentials für die Tran-Stromrichter gleichzeitig mit Zündimpulsen beauf- 40 sistoren 20 r, 20 s, 201 und damit den Zündwinkel schlagt sind, so daß Zündimpulse während Span- unabhängig von der am Potentiometer 31 eingestellnungshalbwellen, welche die gesteuerten Ventile in ten Spannung so lange bestimmen, bis er diese zu Sperrichtung beaufschlagen, automatisch unterbun- übersteigen versucht, worauf sie durch Leitendwerden den werden, was die Sperrstromverluste auf ein Mini- einer Begrenzungsdiode 38 auf den Wert der am Pomum herabsetzt. 45 tentiometer 31 eingestellten, der Wechselrichtertritt-

Beim Wechselrichterbetrieb darf die sogenannte grenze entsprechenden Spannung begrenzt wird. Wechselrichtertrittgrenze, d. h. ein bestimmter maxi- Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des ermaler Zündwinkel nicht überschritten werden. Zwar findungsgemäßen Zündsteuersatzes, insbesondere der ist die veränderbare Emitterspannung'der Tran- Wirkungsweise der Temperaturgangkompensation der sistoren 2Or, 20s und 2Oi ungefähr proportional dem 50 Zenerdiode 8 dient Fig. 2, wo der zeitliche Verlauf sich ergebenden Zündwinkel, so daß durch eine Be- der Spannung IZ₄₀ des Schaltungspunktes 40 für zwei grenzung des Emitterpotentials bei konstanter verschiedene Werte der Durchbruchsspannung U_d der Durchbruchsspannung der Zenerdiode 8 auch der Zenerdiode 8 dargestellt ist Mit EZ₉ ist teilweise der Zündwinkel begrenzt werden könnte." Infolge der Verlauf der an der Klemme 9 anliegenden Synchro-Herstellungstoleranzen der Zenerdiode 8 und ins- 55 nisationsspannung angedeutet. Auf der Abszissenbesondere auch wegen ihres Temperaturverhaltens, achse ist der Phasenwinkel to/ der zügehörigen Sewelches eine Schwankung ihrer Durchbruchsspän- kundärspannung des Transformators 5 und auf der nung und damit auch der Höhe der Synchronisations- Ordinatenachse jeweils das Potential gegenüber der und Versorgungsspannung für die einzelnen Zeit- Klemme Mp aufgetragen. ^,-V kreise des Steuersatzes hervorruft, läßt sich mit einer 60 ■'■■■■ Es sei zunächst angenommen, daß der W^ert ^^er Begrenzung des Emitterpotentials allein noch keine Durchbruchsspannung der Zenerdiode 8 den in sichere Festlegung des maximalen Zündwinkels α er- Fig. 2 gezeichneten größeren Wert U_d besitzt. Die reichen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung Spannung des Kondensators 15 und damit auch die kann daher das Emitterpotential der Transistoren in Fig.2 mit U_i0 bezeichnete Spannung an der 2Or, 20 s und 2Oi in eine feste Abhängigkeit von der 65 Anode der Diode 16 nähert sich diesem Wert U_d Durchbruchsspannung der Zenerdiode 8 gebracht nach einer Exponentialfunktiori, die bei entsprechenwerden. Hierzu ist an die Sekundärklemmen U, V, W der Bemessung der Ladezeitkonstanten von kleinen des Transformators 5 ein aus drei Ventilen bestehen- Werten ausgehend weitgehend zeitlinear verlaufen

kann. Erreicht die Spannung U_i0 den Wert der durch den Potentiometerabgriff festgelegten Spannung U_z, so beginnt der Eingangstransistor 2Or leitend zu werden und veranlaßt die Entstehung eines Zündimpulses, beispielsweise wie dargestellt beim Zündwinkel λ = 60°. Verringert sich nun infolge Temperaturschwankungen beispielsweise die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 8 vom Wert U_d auf den Wert U/, so würde bei unverändertem Wert des Emitterpotentials U_z sich ein größerer Zündwinkel α' ίο ergeben, da nun die Ladespannung £/₄₀' mit wesentlich geringerer Steigung hochläuft. Dieser Effekt ist besonders gefährlich bei großen Zündwinkeln, wobei die Gefahr besteht, daß die Wechselrichtertrittgrenze überschritten wird und eine Durchzündung der Stromrichterventile erfolgt. Da jedoch das Emitterpotential stets in proportionale Abhängigkeit zur Durchbruchsspannung gebracht ist, in F i g. 2 die

Spannung U₂ gleichem Maße reduziert wird wie U_d, so daß die Beziehung gilt Ud/ud' = Uz/uz', ändert sich durch Schwankungen der Durchbruchsspannung der Zenerdiode 8 nichts am einmal eingestellten bzw. begrenzten maximalen Zündwinkel. Im dargestellten Beispiel wird also der Zündwinkel von 60° beibehalten.

Wenn im Ausführungsbeispiel die Anwendung des erfindungsgemäßen Zündsteuersatzes bei einer dreipulsigen Stromrichterschaltung, dargestellt wurde, bedeutet dies keine Einschränkung der allgemeinen Anwendbarkeit der Erfindung auf mehrpulsige Schaltungen. So würden z. B. bei einer sechspulsigen Schaltung anstatt der drei mit r, s und t bezeichneten Zeitkreise sechs und statt der drei mit 7 bezeichneten, kathodenseitig miteinander verbundenen Ventile sechs in analoger Weise angeordnete Ventile bei sonst gleichem Aufbau erforderlich sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 509535/157

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Zündsteuersatz für eine mehrpulsige Stromrichterschaltung mit η Stromrichtern, der für jeden Stromrichter einen separaten .RC-Zeitkreis zur zeitlichen Festlegung seines Zündimpulses enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine n-phasige Spannung (U, V, W) die Reihenschaltung von η kathodenseitig miteinander verbundenen Dioden (7) mit einer gemeinsamen Zenerdiode (8) entgegengesetzter Durchlaßrichtung beaufschlagt und daß die Synchronisationsspannungen für die einzelnen Zeitkreise (r, s, t) zwischen den Anoden (9, 10, 11) dieser Dioden

(7) und einem Spannungsbezugspunkt (Mp) abgenommen sind.

2. Steuersatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Zeitkreis (r) ein Ladekondensator (15) über zwei Dioden (16,18) antiparalleler Durchlaßrichtung, die in Reihe mit je einem Widerstand (17,19) angeordnet sind, an der Synchronisationsspannung liegt und daß den so gebildeten Serien-ÄC-Gliedern (17, 16, 15; 19, 18, 15) eine weitere Diode (12) parallel geschaltet ist.

. 3. Steuersatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke eines Eingangstransistors (20 r) an der Anode der den Ladestrom führenden Diode (16) und dem einem Pol einer allen Zeitkreisen gemeinsamen einstellbaren Gleichspannungsquelle (28, 30, 31) angeschlossen ist, deren anderer Pol mit dem Spannungsbezugspunkt (Mp) verbunden ist und daß der Kollektorstrom des Eingangstransistors (2Or) über einen weiteren Transistors (21 r) den Steuerstrom für einen den Zündimpuls auslösenden Ausgangstransistors (22 r) steuert.

4. Steuersatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Maximalwert der einstellbaren Gleichspannung in proportionale Abhängigkeit von der Durchbruchspannung (Uj) der Zenerdiode (8) gebracht ist.

5. Steuersatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichspannungsquelle ein Spannungsteiler (30, 31) vorgesehen ist, der über η weitere kathodenseitig miteinander verbundene Dioden (28) mit der «-phasigen Spannungsquelle (U, V, W) verbunden ist.

6. Steuersatz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der Zenerdiode

(8) mit der Kathode einer weiteren Diode (32) verbunden ist, deren Anode ihrerseits mit einem Punkt des Spannungsteilers (30, 31) verbunden ist, der ein höheres Potential als das der Durchbruchsspannung (U_d) der Zenerdiode (8) aufweist und daß die Emitter der Eingangstransistoren (2Or, 2Oj, 20i) mit einem verstellbaren Abgriff des Spannungsteilers (30,31) verbunden sind.

7. Steuersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aussteuerungszustand jedes der den Zündstrecken der η Stromrichter (Ii?, IS, IT) zugeordneten Ausgangstransistors (22 r, 22 s, 22 t) zusätzliche beeinflußt ist vom Aussteuerungszustand des ihm phasenzyklisch folgenden Ausgangstransistors (22 s, 221, 22 r) in der Weise, daß entgegengesetzte Aussteuerungszustände bei beiden Transistoren erzwungen sind.

8. Steuersatz nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch jeweils eine den Steuerkreis eines Ausgangstransistors (22 r, 22 s, 22 t) mit dem Kollektor des ihm phasenzyklisch folgenden Ausgangstransistors (22 s, 22 t, 22 r) verbindende Begrenzungsdiode (25, 26, 27).

9. Steuersatz nach den Ansprüchen 7 und 8, gekennzeichnet durch eine Zenerdiode (24 r) im Steuerkreis eines Ausgangstransistors (22 r), deren Durchbruchsspännung größer ist als die Summe der Schwellspannung von Begrenzungsdiode (25) und phasenzyklisch folgendem Transistors (22 s).