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Anordnung zum Steuern des über einen Verbraucher fließenden Wechseistromes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Steuern des über einen Verbraucher
fließenden Wechselstromes mit Hilfe einer eine Schalt- und eine Steuerstrecke aufweisenden
Schalteinrichtung, die durch Steuerimpulse durchsteuerbar ist und beim Nulldurchgang
des Wechselstromes in den Sperrzustand übergeht, über deren Schaltstrecke der Verbraucher
an eine Wechselspannungequelle angeschlossen ist, mit einem einen Speicherkondensator
und einen veränderbaren Widerstand enthaltenden XC-Glied, dem die mittels einer
Zenerdiode begrenzte Spannung an der Schaltstrecke der Schalteinrichtung zugeführt
wird, und mit einem Schaltglied, darch das der Speicherkondensator bei einer bestimmten
Spannung über die Steuerstrecke der Schalteinrichtung entladen wird.
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Bei allen bekannten Anordnungen dieser Art, bei denen die Sperrspannung
an der Schaltstrecke der Schalteinrichtung als Eetriebs- und Synchr&nisierspannung
verwendet wIrd, ist eine direkte galvanische Kopplung zwischen dem Speicherkondensator
und der Steuerstreke der Schalteinrichtung unmöglich, weil stets in diesem Kreis
eine für die Entladung des Speicherkondensators in Sperrichtung gepolte Diode liegt,
die zu der die Sperrspannung an der Schalteinrichtung gleichrichtenden Brücke gehört.
Bei den bekannten Schaltungen dieser Art liegt daher stets ein Impulsübertrager
zwischen dem Speicher kondensator und der Steuerstrecke.
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Sofern diese Anordnung mit zwei antiparallel geschalteten Thyristoren
arbeiten, ist ein solcher Impulsübertrager aber auch deshalb erforderlich, weil
die Steuerimpulse zwei auf verschiedenem Potential liegenden Steuerstrecken zugeführt
werden
müssen. Dieses Problem entfällt bei einer Schalteinrichtung, die unabhängig von
der Polarität der an ihrer Schaltstreke liegenden Spannung mittels einer einzigen
Steuerstrecke durchsteuerbar ist. Eine derartige Schalteinrichtung ist unter dem
Namen "Triac" bekannt geworden. Es handelt sich dabei um ein Halbleiterbauelement
mit einer Schaltstrecke und einer einzigen Steuerstrecke, das durch dieser Steuerstrecke
zugeführte Steuerimpulse für Ströme beider Richtungen durchsteuerbar ist und dann
- wie ein Thyristor - solange leitens bleibt, bis der über die Schaltstrecke fliei3ende
Strom einen nahe bei Null gelegenen Grenzwert wieder unterschreitet. Die Steuerimpulse
können ohne Rücksicht auf die Polarität der an der Schaltstrecke liegenden Wechselspannung
beliebige Polarität haben; vorzugsweise verwendet man negative Steuerimpulse oder
solche, deren Polarität sich mit der Polarität der an der Schaltstrecke liegenden
Wechselspannung ändert.
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Die Schaltstrecke eines Triac enthält im wesentlichen ein pnpn-System
und parallel dazu ein upnp Systeme Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Anordnung der eingangs genannten Gattung so weiter zu bilden, daß man auf einen
Impulsübertrager verzichten kanne Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Anordnung
der eingangs genannten Gattung darin, daß der Speicherkondensator über ein unipolares
Schaltglied mit der Steuerstrecke der Schalteinrichtung verbunden ist, daß der Speicherkondensator
ohne Zwischenschaltung eines Gleichrichters an die Zenerdiode angeschlossen ist,
die einerseits 4Der eine erste Diode der Schaltetreeke der Schalteinrichtung und
andererseits über eine zwe.lte Diode einem Hilfskondensator parallel geschaltet
ist, daß der Hilfekondensator über eine dritte. Diode an die Wechselspannungsquelle
angeschlossen ist, daß die erste und die dritteDiode so gepolt sind, daß über beide
bei derselben realität der von der Wechselspannungsqueile gelieferten Wechselspannung
Strom fließen kann, und dåS dem Hilfskondensator' über einen Widerstand die Emitter-Kollektor-
Strecke eines Trans
tors parallelgeschaltet'ist, dessen Steuerstrecke
über je einen Entkopplungswiderstand einerseits der Schaltstrecke der Schalteinrichtung,
anderenseits dem Hilfskondensator parallelgeschaltet ist.
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Eine weitere, auf dem gleichen Erfindungsgedanken beruhende Lösung
ist-dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator über ein bipolares Schaltglied
mit der Steuerstrecke der Scha einrichtung verbunden ist, und daß die Zenerdiode
zwischen den Gleichstromklemmen einer Gleichrichterbrücke liegt, deren Wechselspannungsklemmen
einerseits an das RC-Glied, andererseits über einen Widerstand an die Schaltstrecke
der Schalteinrichtung ange schlossen sind.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen
erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur
2 den Spannungs-bzw. Stromverlauf an bestimmten Stellen des Pusführungabeispieles
nach Figur 1, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Figur 4
verschiedene Spannungsverläufe an dem Speieherkondesator des zweiten Ausführungsbelspieles.
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In Figur 1 ist eine Belastung 16 über eine mit 12 bezeichnete Uchalteinrichtung
an eine Wechselspannungsquelle 14 angeschlossen.
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Die Belastung 16 besteht beispielsweise aus einer Feldwicklung 102
eines zweiphasigen Wechselstrommotors 100, dessen Läufer über eine Welle 106 mit
einer Tachometermaschine 108 und einer Belastungamaschine 104 gekuppelt ist. Die
Tachometerinaschine 108 weist eine Wicklung 110 auf, an der eine der Drehzahl des
Motors 100 proportionale Wechseispannung auftritt, die einem mit 112 bezeichneten
Gleichrichter mit nachgeschaltetem Filter zugeführt wird. An den Leitungen 21 und
23 steht daher eine geglättete Gleichspannung zur Verfügung, deren Größe ein Maß
für die.Drehgahl des Wechseletrommotore 100 ist.
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Die Schalteinrichtung 12 besteht aus einem Triac 11-4 mit der Schaltstrecke
T1 und T2, der zur Überspánnungsbegrenzung die.
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Reihenschaltung eines Widerstandes 1.16 und eines Kondensators 118
parallelgeschaltet ist. Der Triac weist einen mit G bezeichneten Steueranschluß
auf.
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Mit 30 ist ein Impulegeber üblicher Bauart bezeichnet. Er besteht
aus einem Speicherkondensator 134, der einerseits über einen Widerstand 136 mit
einer Leitung 126 und andererseits über einen Widerstand 132, die Emitter-Kolleltor-Strecke
eines Transistors 130 und einen Widerstand 128 mit einer Leitens 124 verbunden ist.
Zwischen diesen Leitungen liegt ferner über einen Widerstand 122 die Basis- Basisstrecke
B1 -B2 einer Doppelbasisdiode 120, deren Emitter-Basisstrecke E - B1 parallel zu
dem Speicherkondensator 134 und dem Widerstand 136 liegt. Der Verbindungspunkt 140
140 140zwischen Speicherkondensator 134 und Widerstand 136 ist über eine Diode 160
mit dem Stueranschluß G des Triac 114 verbunden. Zwischen den Leitungen 124 und
126 liegt,, ferner ein aus einem Widerstand 148 und einer Zenerdiode 146 bestehender
Spannungsteiler, mit dessen Abgriff 150 ein Widerstand 152 mit einem mit der Basis
des Transistors 130 verbundenen, veränderba.ren Abgriff 153 verbunden ist. Die Klemmen
155 und 157 dieses Widerstandes sind mit den von- der'B'elastung 16 kommenden Leitungen
21 und 23 verbunden.
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Die Leitungen 124 und 126 sind mit den beiden Elektroden a und c einer
Zenerdiode 24 verbunden; die Elektrode a dieser Zenerdiode liegt direkt an einer
Klemme er der Wechselspannungsquelle 14 und an der Klemme 1 der Schaltstrecke des
Triac 114; die andere Elektrode c ist über eine Diode 28 und einen Widerstand.
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?6 mit der zweiten Klemme T2 des Triac verbunden.
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Die Zenerdiode 24 liegt ferner über eine Diode 76 und einen Widerstand
66 parallel zu einem Hilfekondensator 60, der seinerseits über einen Widerstand
64 und eine Diode 62 der Wechselspannungsquelle 14 parallel geschaltet ist. Diesem
Hilfukonden sator 60 liegt über den Widerstand 66 die Emitter-I(ollektor-
Strecke
eines Transistors 68 parallel, dessen Emitter-Basis-Strecke einer Diode über einen
Widerstand 70 dem Hilfskondensator 60 und über einen Widerstand 72 der-Schaltstrecke
T1/T2 des Triac 114 parallel geschaltet ist.
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Die Arbeitsweise dieser Anordnung wird anhand der Figur 2 erläutert,
die in Zeile A den Verlauf der von der Wechselspannungsquelle 14 gelieferten Wechselspannung,
in Zeile B den Verlauf des gegenüber dieser Spannung phasenverschobenen Stromes
ohne (Kurve 36) und mit (Kurve 34) Phasenanschnitt, in Zeile C den Verlauf der Spannung
an dem Triac 114 und in Zeile.
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D den Verlauf der Spannung an der Zenerdiode 24 zeigt.
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Dabei der angenommenen Belastung der Verbraucherstrom der Wechselspannung
nacheilt, ist der Triac 114 nach dem Nulldurchgang der Weehselspannung im Zeitpunkt
40 noch bis zum Zeitpunkt 38 durehgesteuert, so daß an seiner Schaltstrecke in dieser
Zeit keine Spannung anliegt. Da der Transistor68 während- der positiven Halbwelle
31 der Wechselspannung über Diode -62, Widerstände 64 und 70 einen Durchsteuerstrom
erhält, ist Diode 76 über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 68 der Zenerdiode
24 parallel geschaltet, so daß an dieser Zenerdiode bis zum Zeitpunkt 38 keine Spannung
liegt.
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Im Zeitpunkt 38 geht jedoch der Verbrau herstrom durch Null und der
Triac 114 in den Sperrzustand über, so daß die an seiner Schaltstrecke liegende
Spannung auf den dann vorhandenen Momentanwert der von der Quelle 14 gelieferteh
Wechselepannung anspringt (vergl. Fig. 2a). Diese Spannung liegt über Widerstand
26 und Diode 28 an der Zenerdiode 24, die so bemessen ist, daß diese Spannung ausreicht,
um einen Zenerstrom ber diese Diode zu treiben, so daß an ihr eine definierte, konstante
Spannung der Größe 48 (Fig. 2D) ansteht., die zugleich als Betriebs- und Synchronisierspannung
dem Steuersatz 30 zugeführt wird. Infolgedessen lädt sich der Speicberkond'ensator
über Widerstände 128, 132 und 136 und Transistor 190 mit einer durch den Transistor
130 veränderbaren Zeitkonstant. auf. Diese Zeitkonstante
wird hierbei
automatisch abhängig von der-Åbweichung der Drehzahl des (Wechselstrommotors 100
von einem durch die Spannung an der Zenerdiode 146 bestimmten Wert im Sinne einer
Regelung auf konstante Drehzahl verändert.
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Im Zeitpunkt 51 (Fig. 2B) erreicht die Spannung am Speicherkondensator
134 den Durchzündwert.der Doppelbasisdiode 120; der Speicherkondensator wird daher
über die Emitter-Basis-Strecke E - B1 der Doppelbasisdiode dem Widerstand 136 und
damit über die Diode 160 der Steuerstrecke des Triac 114 parallel geschaltet, über
die er sich entlädt und dadurch den Triac in den leitenden Zustand-steuert. Dabei-sinkt
die an der Schaltstrecke des Triac 114 liegende Spannung praktisch auf Null (Fig.
2C). Da zu diesem Zeitpunkt noch die positive Halbwelle 31 der Wechselspannung andauert,
erhält auch Transistor 68 über den bereits erwähnten Weg einen Steuerstrom -und
ist demzufolge noch durchgesteuert; daher verschwindet mit dem Zünden des Triac
114 auch die Spannung an der Zenerdiode 24 (Fig. 2D).
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An diesem Zustand ändert sich auch nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung
im Zeitpunkt 84 noch nichts, da der Hilfskondensator 60 während der positiven Halbwelle
31 über Diode 62 und Widerstand 64 mit der in Figur 1 angegebenen Polarität aufgeladen
wurde und sich in der folgenden negativen HaIbwelle 3' über Widerstand 70 und die
Steuerstrecke des Transistors 68 entlädt, so daß der Transistor 68 zunächst durchge's'te'uer't
bleibt.
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Erst wenn im Zeitpunkt 86 die Stromhalbwelle 34 über defl Triåc 114
beendet ist und der Triac daher in den Sperrzustand übergeht, wird der Transistor
68 gesperrt, weil die an der Schaltstrecke des Triac 114 liegende Sperrspannung
dann einen Strom über die Diode 82 und den Widerstand 72 treiben kann, der eine
Sperr vorspannung an der Steuerstrecke des Transistors 68 zur Folge hat. Sobald
der Transistor sperrt, entlädt sich der Hilfslronden.ator 60 über Widerstand 66,
Diode 76 und die Zenerdiode 24-, an der somit wieder ein Spannungaimpuli 92 (Fig.
2D) entsteht.
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AUB Figur-2-ist somit ersichtlich, daß an der Zenerdiode 24 unabhängig
von-der Polarität der jeweiligen Halbwelle der Wechselspannung der Quelle 14 und
der Phasenverschiebung des Laststromes gegenüber dieser Wechselepannung ein Spannungsimpuls
auftritt, der mit dem Nulldurchgang des Stromes beginnt und mit dem Zündzeitpunkt
des Triac endet. Somit beginnt auch die Aufladung des Speicherkondensators 134 unabhängig
von der Polarität der Wechselspannung und der Phasenverschiebung des Laststromes.
immer mit dem Nulldurchgang des Laststromes.
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Der zwischen Kollektor und Basis des Transistors 68 liegende Widerstand
80 verringert die Schaltgeschwindigkeit und damit auch den Spannungsanstieg an dem
Kollektor des Transistors 68 und an der Zenerdiode 24.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist der Lastkreis mit dem
in Figur 1 dargestellten vollständig indentiech, es erübrigt sich daher auf diesen
ni.he-r cjnzu£ehen. Gleiche zeile sind auch mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie beim Ausfahrungsbeispiel nach Figur 1 ist eine Zenferdiode 02
zur Begrenzung der Sperrspannung an der Schaltstrecke des Triac 114 vorgesehen.
Diese Z.enerdiode liegt jedoch hier zwischen den Gleischspannungsklemmen 198/200
einer Gleichrichterbrücke 192, die mit ihren Wechselspannungsklemmen 194, 196 über
einen Widerstand 204 der Schaltstrecke T1/T2 des Triac 114 parallelgeschaltet ist.
An den Wechselspannungsklemmen dieser Gleichrichterbrücke entstehen somit bipolare
Impulse, die jeweils beim Nulldurchgang des Laststromes über den Triac 114 beginnen
und bei Zündung des Triac enden.
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Der Speicherkondensator ist hier mit 180 b.ezeichnet und über zwei
antiparallel geschalteten Shockleydioden 140 der Steuerstrecke G/T1 des Triac 114
parallel geschaltet. Ferner liegt diccæ Speicherkondensator über einen einstellbaren
Widerstand 236 an den Wecheelspannungsk1emmen 194/196 der Gleichrichterbrücke.
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192.
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Die Ladegeschwindigkeit des Speicherkondensators 180 ist auch hier
von dem Widerstand der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 210 abhängig.
Diese liegt zwischen den Gleichepannungsklemmen einer aus den Ventilen 220,222,
224 und 226 gebildeten Gleichrichterbrücke, die in zwei Zweigen zusätzlich die Widerstände
216 und 218 enthält.
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Die Wechselspannungsklemmen dieser Brücke sind somit über die Leitungen
240 und 206 mit den Wechselspannungsklemmen der Gleichrichterbrücke 192 verbunden.
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Die Widerstände 216 und 218 sind außerdem über je eine Diode 228 und
230 dem einstellbaren Widerstand 236 parallelgeschaltet~, wobei die Dioden gegensinnig
gepolt sind.
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Die Steuerstrecke des Transistors 210 ist über einen Widerstand 2)4
einem durch den Abgriff 153 bestimmten Teil des Widerstandes 152 parallelgeschaltet;
d-er effektiv Widerstand des Transistors ist somit durch die Geschwindigkeit des
rotors 100 bestimmt. Der Kolkt'or-Basis-'Strecke des TransistOrs 210 ist wieder
ein Widerstand 212 parallel geschaltet, Während der positiven Halbwelle der Wechselspannung
(Klemme 194 der Gleichrichierbrücke 192 positiv) fließt ein Strom von dieser Klemme
über Widerstand 216, Diode 228 in den Speicherkondensator 180, dem über die Ventile
224 und 220 die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 210 parallel liegt; letztere
bildet zusammen mit dem Widerstand 216 während der positiven Halbwelle einen Spannungsteiler,
der die Spannung bestimmt, gegen die sich der Kondensator auflädt. Sobald die Spannung
am Kondensator den Wert der Spannung am TeilermXt 232 ereicht hat, geht die Diode.228
in den Sperrzustand über und der Speicherkondensator 180 lädt sich von da an über
den wesentlich hochohmigeren, einstellbaren Widerstand 236 langsam weiter auf, bis
die Kippspannung der Shockleydiode 190 ereicht ist und sich der Ladekondensator
über diese und die Steueretrei des Triac 114 entladen kanr. In der darauffolgenden
Halbwelle der Wechselspannung"der Quelle 14 ist die Klemme 196 der Gleichrichterbrücke
192
positiv gebenüber der Klemme 194, so daß sich jetzt der Speicherkondensator 180
zunächst über Diode 230 und Widerstand 218 gegen das Potential des Punktes 234 auflädt,
das durch den vom Widerstand 218 und der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
210 über Dioden 222 und 226 gebildeten Spannungsteiler bestimmt ist.
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Sobald die Spannung des Speicherkondensators 180 den durch den Spannungsteiler
eingestellten Wert am Punkt 234 erreicht hat, geht die Diode 23Q in den Sperrzustand
über und der Speicherkondensator 180 lädt sich dann wieder über den einstellbaren
Widerstand 236 weiter auf, bis wiederum die Kippspannung der antiparallelgeschalteten
Shockleydioden 190 erreicht ist, und sich der Speicherkondensator über den Triac
114 entlädt.
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Der Spannungsverlauf an dem Speicherkondensator 180 während der positiven
Halbwelle der Wechselspannung ist in der oberen Hälfte der Figur 4 dargestellt;
die untere Hälfte ist den negativen Halbwellen zugeordnet. Die Spannung steigt zunächst
verhältnismäßig schnell mit einer durch den Transistor 210 bestimmten Geschwindigkeit
an und erreicht im Zeitpunkt 252 das Potential V232 des Punktes 232. Von diesem
Zeitpunkt an sperrt die Diode 228 und die Spannung steigt entlang Linie 254 bestimmt
durch die Größe des Widerstandes 236 langsamer an und erreicht schließlich im Zeitpunkt
260 den Ansprechwert V190 der Shockleydiode 190.
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Mit V242 ist die Spannung an den Wechselstromklemmen der GleichrichterbrU.fae
192 hezeiElnet.
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In der darauffolgenden Halbwelle lädt sich der Speicherkondensator
180 entlang Linie 262 mit derselben, durch den Trans tor 210 bestimmten Geschweindigkeit
auf, bis das Potential V234 des Punktes 234 erreicht ist und damit die Diode 230
sperrt; der Speicherkondensator 180 lädt sich dann wieder entlang der Linie 268
langsamer, und zur bestimmt durch den Widerstand 236, auf bis im Zeitpunkt 260 der
Aneprechwert V190 der Shonkleydiode wieder ereicht ist.
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In Figur 4 sind noch die Spannungsverläufe für zwei andere Einstellungen
des Transistors 210 eingezeichnet: Wenn der Transistor gegenüber dem beschriebenen
Beispiel hochohmiger ist, lädt sich der Speicherkondensator auf ein höheres Potential
V232 (234) auf, was dann zu einem früheren Zündzeitpunkt 280 führt. timgekehrt erreicht
der Speicherkondensator 180 bei niederohmigerem Transistor 210 bis zum Sperren der
Diode 228 nur ein niedrigeres Potential V232(234) was eine größere Zündverzagerung
(Zündzeitpunkt 290) zur Folge hat.
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Durch eine schnelle steuerbare Teilaufladung mit nachfolgender ungesteuerter,
langsamer Aufladung läßt sich ein wlterer Steuerbereich überstreichen als bei üblicher
Aufladung.
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4 Patentansprüche 4 Figuren