DE1906213B2 - Stromregelschaltung - Google Patents

Stromregelschaltung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromregeischaitung mit einem ersten Transistor, dessen Ausgangskreis einen zu stabilisierenden Strom führt, und mit einem zweiten Transistor, dessen Eingangskreis über eine Diode an den Ausgangskreis des ersten Transistors angekoppelt ist, an dessen Ausgangskreis die Steui;--elektrode des ersten Transistors angekoppelt ist und dessen Ausgangskreis an eine Steuersirornqueüe angekoppelt ist.
Eine Stromregeischaitung der vorstehend genannten Art ist aus der US-PS 29 78 630 bekannt. Bei dieser vorbekannten Stromregeischaitung ergibt sich die stabilisierende Wirkung aus der Widerstandsgeraden eines Widerstandes, der in Reihe zur Diode im Eingangskreis des zweiten Transistors und im Ausgangskreis des ersten Transistors liegt, und der nichtlinearen Kennlinie der Diode. Da somit die Stabilisierungswirkung durch den zweiten Transistor primär durch Ansteuerung seines Eingangskreises mit dem Spannungsabfall an dem Widerstand zustande kommt, ist eine genaue Anpassung des Temperaturganges im Ausgangskreis des den stabilisierten Strom führenden Transistors an den Temperaturgang des Eingangskreises des Stelltransistors nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromregeischaitung mit einer genauen Anpassung des Temperaturganges im Ausgangskreis des den stabilisierten Strom führenden Transistors an den Temperaturgang des Eingangskreises des zweiten als Stelltransistor arbeitenden Transistors zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einer Stromregeischaitung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Diode im Ausgangskreis des ersten Transistors direkt an dessen Ausgangsstrecke und direkt an die Steuerelektrode des zweiten Transistors angekoppelt ist.
Ausgestaltungen des vorstehend definierten Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Nachstehend wird die Erfindung anhind von
in Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer bekannten Stromregeischaitung;
F i g. 2 zeigt ein Schaltbild einer Stromregeischaitung gemäß der Erfindung;
I^ Fig.3 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der in F i g. 2 dargestellten Schaltung; F i g. 4 zeigt eine Schnittansicht durch eine integrierte Stromregeischaitung gemäß der Erfindung;
Fig.5 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Stromregelschaltung gemäß der Erfindung;
F i g. 6 zeigt ein Schaltbild einer Vergleichs-Stromregeischaiiung unter Verdeutlichung der auftretenden Stromverteilung;
F i g. 7 zeigt ein Schaltbild einer Stromregeischaitung gemäß der Erfindung, unter Verdeutlichung der auftretenden Stromverteilung;
Fig.8 zeigt ein Schaltbild einer a.ideren weiteren Ausführungsform einer Stromregeischaitung gemäß der Erfindung.
jo Fi g. 1 zeigt eine herkömmliche Stromregeischaitung oder Konstantstroniquelle, die lediglich einen Transistor 10 enthält. Der Transistor 10 besitzt einen Kollektor 12, eine Basis 14 und einen Emitter 16. Dabei bewirkt der den Hauptstrom führende Schaltungszweig bzw. die
i-> Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 10 die Regulierung des Ausgangsstroms Z0, der der Klemme 18 zugeführt und von der Klemme 20 abgenommen wird. An der Basis 14 des Transistors 10 liegt eine Bezugsspannung V. die eine entsprechende, an die
4n Klemme 22 angeschlosser<e Benugsspannungsquelie abgibt. Erhöht sich z. B. der Ausgangsstrom /o, so steigt die Spannung am Emitterwiderstand des Transistors 10 in bezug auf die Spannung Vderart an, daß der Strom I0 wieder zu einem konstanten Wert hin zurückkehrt.
4-, Obwohl diese Schaltung an der Anschlußklemme 18 eine verhältnismäßig hohe Impedanz besitzt, ist die Impedanz gleich dem Ausgangswiderstand des Transistors 10.
Fig.2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit
-.ο einer höheren Ausgangsimpedanz. Bei dieser Schaltung ist ein erster Transistor 30 mit seinem Hauptstromzweig zwischen einer Ausgangsklemme 32 und einer gemeinsamen Rückführklemme 34 angeschlossen. Der Hauptstromweg des Transistors 30 verläuft zwischen den
Y) Hauptstromklemmen bzw. -anschlössen; an die Ausgangs-Anschlußklemmcn 32 ist dabei der Kollektor 36 des Transistors 30 angeschlossen, und der Emitter 38 dieses Transistors ist über eine Halbleiterstreckc bzw. Diode 40 an die gemeinsame Rückführklemmc 34
M) angeschlossen. Die Anode 42 der Diode 40 ist dabei mit dem Emitter 38 des Transistors 30 verbunden; die Kathode 44 der Diode 40 ist mit der gemeinsamen Rückführklemme 34 verbunden.
Zwischen einer zweiten Klemme oder Sleuerstrom-
h') Klemme 48 und der gemeinsamen Rückführklcmme 34 ist ein zweiter Transistor 46 mil seiner Hauptstromstrecke geschaltet. Die stromführende Strecke ist durch die Hauptstromstrecke des Transistors gebildet; dabei
ist der Kollektor 50 des Transistors 46 an die Anschlußklemme 48 angeschlossen, und der Emitter 52 des Transistors 46 ist an die Anschlußklemme 34 angeschlossen. Die Basis 54 des Transistors 46 ist an den Verbindungspunkt des Emitters 38 des Transistors 30 und der Anode 42 der Diode 40 angeschlossen. Der Kollektor 50 des Transistors 46 ist ferner mit der Basis des Transistors 30 verbunden. Es sei bemerkt, daß der Strom /0 zweckmäQigerweise von einem herkömmlichen Netzgerät Ober einen Widersland 60 zugeführt wird. Das Netzgerät ist dabei an der bezeichneten Anschlußklemme 58 angeschlossen. Der in gestrichelten Linien dargestellte Widerstand 60 stellt den Lastwiderstand dar, durch den der Strom /0 fließt. In entsprechender Weise wird der Anschlußklemme 48 ein Regel- oder Steuerstrom Ir zugeführt, z. B. über einen in gestrichelten Linien dargestellten großen Widerstand 64 von einem an einer Anschlußklemme 62! angeschlossenen Netzgerät her.
Während des Betriebes bewirkt die in F i g. 2 dargestellte Schaltung eine Rückkopplung, derzufolge der Strom /0 zu einem großen Teil [konstant gehalten wird. Steigt der Strom /0 an, so steigt der die Diode 40 durchfließende Strom, bei dem es sich zum größten Teil um den Strom /0 handelt, ebenfalls an. Dadurch steigt auch der Spannungsabfall an der Diode 40. Dies hat zur Folge, daß die Spannung an der Basis des Transistors 46 ansteigt. Die Folge hiervon ist, daß die Spannung am Kollektor 50 des Transistors 46 sinkt. Daraufhin beginnt die Spannung an der Basis 56 des Transistors 30 kleiner jo zu werden. Eine Spannungsabnahme an der Basis 56 des Transistors 30 erfolgt dabei in einer solchen Richtung, daß der Strom /0 abnimmt. Dadurch wird die Wiedereinstellung des gewünschten Stromwertes /0 bewirkt. In entsprechender Weise bewirkt die Schaltung js bei abnehmendem Strom /0 eine Erhöhung der Spannung an der Basis 56 des Transistors 30, und zwar derart, daß der Wert des Stroms /» wieder auf den gewünschten Wert angehoben wird.
Das durch die Diode 40 gebildete Halbleiterelement ist der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 46 parallel geschaltet; die Polung der Halbleiteriibergänge der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 46 und der Diode sind dabei gleich. Die Diode 40 bewirkt hier eine Kompensation einer sonst nicht linearen Wirkung des Transistors 46. Dabei ist es erwünscht, daß der Strom In so konstant wie nur möglich gehalten wird. Durch Temperaturänderungen hervorgerufene Änderungen des Basis-Emitter-Widerstandes des Transistors 46 führen zu einem Ausgangsstrom /0. der sich mit der ,o Temperatur ändert. Das durch die Diode 40 gebildete Halbleiterelement arbeitel jedoch in geeigneter Weise bei derselben Temperatur wie der Transistor 46. Dadurch ändert sich der Übergangswiderstand der Diode 40 in derselben Weise wie der Basis-Emiüer- -,-, Widerstand des Transistors 46. Die betreffenden Elemente können in nachstehend noch näher erläuterter Weise bei ein und derselben Temperatur gehalten werden. Die Schaltung kompensiert da:nit Fehler, die sonst aufgrund von Temperaturänderungen auftreten <,o könnten, Wie ferner einzusehen sein dürfte, besitzen der durch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 46 gebildete Halbleiterübcrgang und der durch die Diode 40 gebildete Halbleiienibergang jeweils eine Kennlinie mit exponentieller Abhängigkeit zwischen Spannung *,<, und Strom. Da die Diode 40 der Basis-Emitter Strecke des Transistors 46 parallel geschaltet ist, führt ein die Diode 40 durchfließender Strom zur Abgabe cities linear abhängigen Ausgangsstroms von dem Transistor 46. Der zum Kollektor 50 des Transistors 46 hinfließende Strom hängt damit weitgehend linear von dem die Diode 40 durchfließenden Strom ab.
Eine bevorzugte Ausführungsform der in F i g. 2 dargestellten Schaltung zeigt F i g. 3. In F i g. 3 sind den bei der Schaltung gemäß Fig.2 vorgesehenen Schaltungselementen entsprechende Schaltungselemente mit entsprechenden Bezugszeicheri bezeichnet. Gemäß F i g. 3 ist der gemäß F i g. 2 durch eine Diode gebildete Halbleiterübergang durch einen Transistor 40' gebildet, der in seinen Eigenschaften weitgehend mit dem Transistor 46 übereinstimmt. Der Transistor 40' ist mit seinem Emitter 66 an die gemeinsame Rückführklemme 34 angeschlossen. Der Kollektor 68 des Transistors 40' und dessen Basis 70 sind miteinander verbunden. Damit erfolgt vom Kollektor 68 des Transistors 40' zu dessen Basis 70 hin eine Rückkopplung, durch die die exponentiell Kennlinie des Transistors 40' verbessert wird. Der gemeinsame Verbindungsnunkt der Basis und des Kollektors des Transistors 40' ."<Λ an den Emitter 38 des Transistors 30 und an die Basis 54 des Transistors 46 angeschlossen.
Wenn die beiden Transistoren 46 und 40' gleich sind und dieselbe Temperatur besitzen, dann führt ein den Transistor 40' durchfließender Strom zum Abfall einer Spannung an diesem Transistor, die gerade diejenige Spannung darstellt, die an die Basis 54 des Transistors 46 anzulegen ist, um einen gleichen Stromfluß zum Emitter 52 des Transistors 46 zu bewirken. Die beiden Ströme, d. h., die aus Emittern 56 und 52 herausfließenden Ströme, sind dann unabhängig von der jeweiligen Temperatur und unabhängig von Nichtlinearitäten der Transistoren jeweils nahezu gleich groß. Die Schaltung gemäß Fig.3 arbeitet in nahezu derselben Weise wie die in Fig. 2 dargestellte Schaltung. Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 3 kann jedoch auch in anderer Weise erläutert werden. Hierzu sei angenommen, daß die die Hauptstromstrecken der Transistoren 46 und 40' durchfließenden Ströme stets gleich groß sind. Versucht der Ausgangsstrom /0 anzusteigen, so steigt der zum Kollektor 50 des Transistors 46 hinfließende Strom um einen nahezu gleichen Betrag. Der Strom Ir ist nahezu konstant. Da der den Transistor 46 durchfließende Strom von dem Strom Ir abgeleitet ist, wird in dem betrachteten Fall der Basis 56 des Transistors 30 weniger Strom zugeführt. Dies führt dazu, daß der Strom /0 abnimmt. Sowohl bei der Schaltung gemäß F i g. 2 als auch bei der Schaltung gemäß F i g. 3 hängt der Strom I0 von dem Strom Ir ab. Werden darüber h;naus für die Transistoren 46 und 40' gleiche Transistoren verwendet, die dieselbe Temperatur besitzen, se sind di.'über hinaus auch die Ströme /0 und ■',/yleich groß.
F i g. 4 veranschaulicht eine vorteilhafte Ausfühnngsform der in Fig.3 dargestellten Schaluing unter Anwendung integrierter Schaltungstechniken. In F i g. 4 sind den bei der Schaltung gemäß F i g. 3 vorgesehenen Elementen entsprechende Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Gemäß Fig.4 enthält t. B. der Kollektor 36 des Transistors 30 eine n-leitende cpitaxiale Schicht auf einer p-leitenden Trägerschicht 72, auch Substrat genannt. Der Emitter 38 wird durch eine η-leitende Diffusionszone gebildet, und die Basis 56 ist eine zwischen d~r Emitter-Diffusionszone und der epitaxialen Schicht vorgesehene p-leitende Diffusionszone. Die Transistoren 30. 40' und 46 sind durch p-leitendc Isolations-Diffusionszonen 74 voneinander
getrennt. Die gesamte Schaltung enthält damit nahe/u nur Halbleiterelemente. die in wirtschaftlicher Weise in kleinem Raum untergebracht sind. Die Transistoren besitzen alle dieselbe Temperatur und stimmen auch ansonsten weitgehend miteinander iiberein.
Wenn im Unterschied dazu der Wunsch besteht, daß der Ausgangsstrom fe ein Vielfaches des Steuerstroms In ist. dann werden die Flachen der Emitier 38,66 und 52 so gewählt, daß z. B. die Emitter 38 und 66 gleich groß sind, während der Emitter 52 eine kleinere Fläche besitzt. In diesem Fall ist der Bezugs-Steuerstrom Ir entsprechend den Verhältnis der Fläche des Emitters 52 /ur Flüche des E-.initters 38 oder des Emitters 66 kleiner.
Der Ausgangswiderstand der erfindungsgemäßen Schaltung kann entsprechend der in Verbindung mit Fi g. 5 erläuterten Weise berechnet werden. F i g. 5 /cigt ein Ersatzschaltbild der Schaltung gemäß F i g. 2. Dabei sind den in F i g. 2 vorgesehenen Elementen hier entsprechende Elemente mit entsprechenden Btviigs-/eichen bezeichnet. Anstelle des Transistors 30 ist eine annäherungsweise stimmende Transistorersatzschal lung gezeigt, die einen Eingangswidersland ßrc und einen Ausgangswiderstand Rc, enthält. Dem Ausgangswiderstand Rn liegt eine Stromquelle pcrallel, die eine;·, Strom V]Zr1- abgibt. Bei dem Transistor 46 und der Diode 40 ist angenommen, daß es sich dabei um gleiche Elemente handelt, d. h.. daß die Diode 40 durch den bei der Schaltung gemäß F i g. 3 vorgesehenen Transistor 40' gebildet sein kann. Damit ist der die Basis-Ftnittcr-Strecke des Transistors 46 durchfließende Strom gleich dem die Diode 40 durchfließenden Strom. Mit /?, isl der Widerstandswert eines Quellwiderstandes 64 bezeichnender von cirem Be/ugsstrom durchflossen wird.
Die folgenden Berechnungen sind unter der Annahme angestellt, daß die Transitoren in der aus F i g. 4 ersichtlichen Weise hergestellt sind und somit alle den gleichen Verstärkungsfaktor, die gleichen Emitterflächen und den gleichen Widerstand r,- besitzen. Der Ausgangswiderstand der in F i g. 5 dargestellten Schaltung kann durch die Spannung an eint·ι 1 -Ampere-Prüfstromquelle 76 ausgedrückt werden, die an der Ausgangsklem nc 32 angeschlossen ist. Der die Diode 40 durchfließende Strom beträgt 1(1 + 1//J)A oder nahezu 1 Ampere. Derselbe Strom fließt im Transistor 46. Widerstand am Verbindungspunkt 78 ist durch die Parallelschaltung von ß(2rc) und /?> gegeben bzw. durch
2,Ir1. R,
Hierin sind 2ßr._- die Eingangswiderständcder in Reihe liegenden Elemente 30 und 40. Die Spannung V1 ist damit
1 . 2'ir<-R<
2 2,ire + R,
Damit ist der Ausgangswiderstand gleich
(IA)
Der den Widerstand Rn durchfließende Strom ist damit
Unter Vernachlässigung des geringen dynamischen Widerstandes des Elements 40 ist die Ausgangsspannung somit
Ist /?, groß, so isl auch der Ausgangswiderstand der Schaltung an der Anschlußklemme 32 größer als der Ausgangswiderstand Rn des Transistors, und zwar um den Faktor/? + I. Dies stellt eine erhebliche Erhöhung der Ausgangsimpedanz für die Stromquelle dar.
F i g. 6 veranschaulicht die Stromverteilung bei einer der in Fig. I gezeigten Schaltung weitgehend entsprechenden Schaltung. Bei der in F i g. 6 gezeigten Schaltung ist eine Diode 86 /wischen der Basis 14 eines Transistors 10 und einer gemeinsamen Kückfiihrklcmme 20 vorgesehen. Diese Diode dient für Vergleichs- /v. ecke. Sie wird dabei dazu benutzt, an der Basis 14 des Transistors 10 eine Spannung zu erzeugen. Die Anode
ÄHrirr ΠιϊκΙρ RA kl itahpi mit fipr flu«;!«; id /jnt Trurttiti;»rt
10 und außerdem mit einer einen Steuerstrom führenden Anschlußklemme 84 verbunden, der ein Bezugs- oder Steuerstrom /« zugeführt wird. Die Kathode 90 der Diode 86 isl an der Anschlußklemme 20 angeschlossen. Die Diode 86 besitzt /wcckmäßigcrwei se den Kennwerten des Transistors 10 entsprechende Kennwerte. Unter der Annahme, daß der Strom der Anschlußklemme 18 zugeführt wird, tritt die angegebene Au.f'e'lung der Ströme auf. Sind die Diode 86 und der Transistor 10 weitgehend einander entsprechende Elemente, so müssen der den Emiller 16 des Transistors 10 durchfließende Strom und der die Diode 86 durchfließende Strom gleich gro'J sein. Dies heißt, daß
+ I
I1,
ist. Nach Auflösung der (Weichling nach It, erhall man
F-" i g. 7 zeigt eine der in F i g. 2 dargestellten Schaltung weitgehend entsprechende Schaltung gemäß der Erfindung. In F i g. 7 ist ferner die Verzweigung der verschiedenen Ströme veranschaulicht. Dabei sind auch hier die verschiedenen Halbleiterelemente nahezu gleich. Demgemäß muß der die Diode 40 durchfließende Strom gleich dem den Emitter 52 des Transistors 46 durchfließenden Strom sein. Dies bedeutet, daß folgende Beziehung erfüllt sein muß:
r ~ ht i'· + Ir i> ~ lo> t'· — —~ ~ Λ> ~~ Jr.'/1' + Ό /' · Durch Auflösen dieser Gleichung nach /n gelangt man
Ό = Ή [i -"
Damit dürfte gezeigt sein, daß der Ausgangsstrom In von dem Bezugs- oder Steuerstrom Ir abhängt. Die Anpassung des Bezugsstroms und des Ausgangsstroms mit Hilfe der in F i g. 7 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltung ist hervorragend. Es dürfte ersichtlich sein, daß die Differenz zwischen dem Bezugsstrom und dem Ausgangsstrom bei der Schaltung gemäß Fig.6 um
einen Faktor größer is(, der ein wenig großer als der Verstärkungsfaktor ist.
Obwohl die erfindungsgemäße Schaltung insbesondere dann von Vorteil ist, wenn sie in integrierten Schaltungsgebilden enthalten ist — und zwar wegen der nahezu ausschließlichen Verwendung von Halbleiter-Übergängen —. kann die Schaltung gemäß der frfindiing jedoch auch unter Verwendung normaler Ti ansistoren aufgebaut werden.
F i g. 8 zeigt eine der in F i g. 2 dargestellten Schaltung weitgehend entsprechende Schnltiirg. Die in F i g. H gezeigte Schaltung ist jedoch für normale Transistorelemcntc geeignet. Zwischen dem Fmitter 52 des in F i g. 8 gezeigten Transistors 46 und der gemeinsamen Rückfiihrklcmmc 34 ist ein Widerstand 80 vorgesehen, und zwischen der Kathode 44 und der Diode 40 und der gemeinsamen Rückfiihrklemme 34 liegt ein Widerstand 82. Die Verwendung dieser Widerstände ermöglicht die Λ nuirniiiinu rlip^pr Srhaltiina nhnp rinn wpsrnl lii'hn
Anpassung der ßasis-Fmitter-Sirceke des Transistors 4fi an die Diodenstrecke der Diode 40. Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß I i g. 8 ist im übrigen im wesentlichen die gleiche wie die der zuvor beschriebenen Schaltungen. Fs 'liirfte somit einzusehen sein, daß
die Diode 40 auch hier in vorteilhafter Weise durch die Basis-Emitter-Streckc eines Transistors zu ersetzen ist, der den Kennwerten des Transistors 46 entsprechende Kennwerte besitzt.
Die Stromregelschaltung oder Stromquelle gemäß der Erfindung gibt nun nicht nur cin^n nahezu konstanten Ausgangsstrom ab. sondern sie besitzt auch eine Ausgangsimpedanz, die gegenüber der Ausgangsimpedanz einer normalerweise benutzten Transistor-Stromquelle um einen dem Stromverstärkungsfaktor entsprechenden Faktor größer ist. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schaltung einfach aufgebaut und leicht herzustellen, und zwar insbesondere im Hinblick auf integrierte Schaltungseinrichtungen. Schließlich braucht die erfindungsgemäße Stromregelschaltung keine äußere Normalspannung: sie weist neben der Ausgangs- und Strom-Riickführklcmmc lediglich eine weitere Strom-F.ingangsklemme auf. An diesem zusätzPir
. ii Hi,
inp ^*tmn
angeschlossen, die in llalblciterschaltungcn häufig verfügbar ist und mit deren Hilfe die Höhe des Alisgangsstroms der erfindungsgemäßen Schaltung steuerbar ist
Hierzu J Hlait Zeichnungen

Claims (5)

  1. Patentansprüche:
    !. Stromregeischaitung mit einem ersten Transistor, dessen Ausgangskreis einen zu stabilisierenden Strom führt, und mit einem zweiten Transistor, dessen Eingangskreis über eine Diode an den Ausgangskreis des ersten Transistors angekoppelt ist, an dessen Ausgangskreis die Steuerelektrode des ersten Transistors angekoppelt ist und dessen Ausgangskreis an eine Steuerstromquelle angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (40; 40') im Ausgangskreis des ersten Transistors (30) direkt an dessen Ausgangsstrecke und direkt an die Steuerelektrode des zweiten Transistors (46) angekoppelt ist.
  2. 2. Stromregeischaitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Diode (40') ein Transistor vorgesehen ist, der durch Verbindung seiner Basis (70) mit seinem Kollektor (68) als Diode geschaltet ist.
  3. 3. Stromregeischaitung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (30, 40', 46) in einer gemeinsamen integrierten Halbleiterschaltung enthalten sind.
  4. 4. Stromregeischaitung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzsichnet, daß an den Kollektor (50) des zweiten Transistors (46) eine Steuerstromquelle (/«^angeschlossen ist.
  5. 5. Stromregeischaitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitterzweig des zweiten Transistors (-'S) ein Widerstand (80) und in Reihe zur Diode (40,40') ein weiterer Widerstand (82) liegt.
DE1906213A 1968-02-08 1969-02-07 Stromregelschaltung Expired DE1906213C3 (de)

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