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Elektrische Schaltungsanordnung zum Snergieaustauach zwischen zwei
Energiespeichern Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltungsanordnung
zum Energieaustausch zwischen zwei Energiespeichern mit die Umladevorgänge steuernden
Schaltern, bei der die Energiespeicher im wesentlichen jeweils aus einer Kondensatoranerdnung,
nämlich einem ersten und einem zweiten Kondensator bestehen.
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Schal-tungsanordnmgen dieser Art werden auch als Umladeschaltcr bezeichnet.
Sie haben die Aufgabe, die energie eine's ernten Speichers möglichst verlustfrei
in einen zweiten Speicher einzuspeichern. Ein bekannter Umladeschalter ist der sogenannte
Resonanztransferschalter, bei dem zwei die Speicheranordnungen darstellende Kondensatoren
über einen Schalter in Reihe mit einer Induktivität miteinander verbunden sind.
Die Induktivität wirkt beim Schließen des Schalters als Schv:ungreaktanz. J)adurcii
ist es möglich, bei einer bestimmten Schließdauer des Schalters, die von der Größe
der Kondensatoren und der Induktivität bestimmt'ist, die Ladung des ersten Speichers
vollständig in den zweiten Speicher überzuführen. Die Einhaltung der für die Punktion
des Resonanztransferschalters erforderlichen Resonanzbedingung schränkt seine Anwendung
in erheblichem Maße ein.
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Außerdem eignet sich die bei ihm erforderliche Induktivität nicht
für seinc Realisierung in integrieten Techniken.
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Der beim Energieaustausch zwischen zwei Kondensatoren Uber einen Schalter
auftretende Verlust der halben Energie kann, wie durch die belgische Patentschrift
657 316 bekannt geworden ist, auch unter Vermeidung des sogenannten Resonanzübertrag
dadurch herbeigeführt erden, daß mit Hilfe eines aktiven Zweipole parallel zu jedem
Speicherkondensator der auftretende Energieverlust kompensiert wird. Der aktive
Zweipol besteht bei dieser bekannten Schaltung seinerseits aus der Reihenschaltung
zweier weiterer Kondensatoren, die zusammen mit einen Transistor dem zugeordneten,
ebenfalls aus einem Kondensator bestehenden Speicher parallel angeschaltet ist.
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Bei einer anderen bekannten Umladeschaltung ist der erste Speicher
mit dem zweiten Speicher Uber einen Impedanzwandler verbunden, wobei der Ladevorgang
des ersten Speichers wie
auch der Umladevorgang zwischen den Speichern
von einer Schalteinrichtung gesteuert wird. Hier läßt sich bei aktiver Ausbildung
des Impedanzwandlers ebenfalls ein veriustfreier Energieübertrag von einen Speicher
in den anderen Speicher durchführen.
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Eine weitere bekannte SpeicXIerunìladeschaltung, die von einem Impedanzwandler
Gebrauch macht, sieht- als Impedanzwandler einen Verstarler mit einer Stromverstärkung,
vorzugsweise gleich Eins vor, dessen niederohligem eingang der erste Speicher in
Reihe und dessen hochohmigem Ausgang der zweite Speicher parallelgeschaltet ist.
Der das Umladen zwischen den Speichern steuernde Teil der Schalteinrichtung ist
dabei ein vorzugsweise elektronischer Schalter, der dcr Reihenschaltlulg aus dem
ersten Speicher und dem niederohmigen Eingang des Verstärkers parallel liegt.
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Abgesehen vom Resonanztransfersclialter lassen sich die geschilderten
bekannten Umschalter ausschließlich mit Widerständen1 Kondensatoren und Transistoren
realisieren.
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Sie können daher auch grundsätzlich in integrierter rllechnik ausgeführt
sein. Wie die Praxis jedoch zeigt, bereitet es in dieser Technik SchwierigIceiten,
wenn die bei solchen Schaltungen zur Anwendung gelangenden Schalter nicht wenigstens
einpolig auf Bezugspotential gelegt werden können. Dieser Sachverhalt ist gerade
bei den Schaltern der vorstehend erläuterten bekannten Umladeschalter nicht gegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine elektrische Schaltungsanordnung
der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, die nicht nur einen
Energieaustausch zwischen zwei Speichern entsprechend einer beliebigen gewünschten
Energiebilanz zuläßt, sondern darüber hinaus auch
für diesen Ladungsaustausch
åusschlierJlich mit Schaltern auskommt, die einseitig mit Bezugspotential verbunden
werden können.
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Ausgehend von einer elektrischen Schaltungsanordnung zum Energieauu
tausch zwis ehen zwei Energiespeichern mit die Umladevorgange steuernden Schaltern,
bei der die Energiespeicher im wesentlichen jeweils aus einer Kondensatoranordnung,
nämlich einen ersten und einem zweiten Kondensator bestehen, wird diese Aufgabe
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß einem T-Glied mit einem ernten Schalter
in Querzweig und je einem ersten Kondensator in den beiden Büngszzweigen auf beiden
Seiten eine von einem zvteiten Schal--ter überbrtickbare aktive-RC-Schaltung aus
einem zweiten Kondensator mit negativer Kapazität in Reihe mit einem negativen Widerstand
parallel angeschaltet ist, daß ferner der erste Schalter im Ruhezustand geschlossen
ist und die zweiten Schalter im Ruhezustand geöffnet sind und außerdem einerseits
die Schaltfunktion sowohl des ersten Schalters als auch der zweiten Schalter für
eine hinsichtlich der Schaltzeit großc, zwei aufeinanderfolgende Schaltzeiten trennende
Ruhezeit und andererseits die Schaltfunktion des ersten Schalters für eine die Schaltzeit
der zweiten Schalter überbrückende Schaltzeit bemessen ist und daß die aktiven RC-Schaltungen
eine Zeitkonstante haben, die groß gegenÜber der Schaltzeit, aber klein gegenÜber
der Ruhezeit der Schalter ist.
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Die aktive RC-Schaltung kann in einfacher Weise mit Hilfe eines in
verschiedenen AusfUhrungen bekannten negativen Impedanzkonvertero (NIO) realisiert
werden, dem eingangeseitig die Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand
entsprechender Bemessung parallelgeschaltet ist,
und dessen ausgangusei-tige
Anschlase den Zweipolanschluß der aktiven RC-Schaltung abgeben.
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Die erfindungsgemäße Bemessung der Zeitkonstante der aktiven RC-Schaltung,
die groß gegenüber der Schaltzeit, aber klein gegenüber der Ruhezeit der Schalter
sein soll, kann im Sinne des gewünschten Energieaustauscheß in idealer Weise dadurch
verwirklicht werden, daß der Widerstand auf der vlngangsscitc des negativen Impedanzkonverters
durch einen im Ruhezustand geschlossenen Schalter ersetzt wird, dessen Schaltfunktion
mit der Schaltfunktion des ersten Schalters in Ubereinstimmung gebracht ist.
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Wenn mit der Schaltung nach der Erfindung auch EinzelBchaltvorgangs
durchgeführt werden können, so dürfte ihr IIauptanwendungsgebiet doch bei solchen
elektrischen Sinrichtungen und Anlagen zu suchen sein, bei denen ein periodischer
Energieaustausch zwischen zwei Speichern stattfinden soll.
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Elektrische Einrichtungen und Anlagen dieser Art sind vor allem Zeitmultiplex-Nachrichtenübertragungssysteme,
bei denen die zu Übertragenden Signale in impulsamplitudenmoduliertor Form vorliegen
und vor allem in der Vermittlungs ebene eines solchen Systems derartige Umladeschalter
zum Anschalten eines Teilnehmers an eine Sammelschiene u.dergl. in großer Anzahl
benötigt werden. In diesem Falle ist eo sinnvoll, den dio Schalter steuernden Größen
periodischen Charakter zu geben.
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Zweckmäßig erden die beiden Snergiespeicher gleich ausgespaltet Soll
die von einem Speicher in den anderen Speicher überzuführende Energie weder verluatbehaftet
sein noch verstärke werden, also verlustlos erfolgen, so ist es in diesem Falle
erforderlich, daß, bezogen auf einen Energiespeicher, die Kapazität des eraten Kondensators
ihrem Betrag nach den zweifachen Wert der Kapazität des zweiten Kondensators aufweist.
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Der Erfindungsgegenstand eignct sich auch zujil Aufbau von Laufzeitketten
und digitalen Filtern. Eine Laufzeitkette beispielsweise läßt sich durch ihre mehrfache
Hintercinanderschaltung in Kctte über im Ruhezustand geöffnete Schalter herstellen,
deren Steuertakt hinsichtlich des Steuer taktes des ersten Schalters und der zweiten
Schalter in geeigneter Weise in der Phase verschoben ist. Diese weiteren, den Ein-und
Ausgängen der einzelnen Vierpole darstellenden Schaltungsanordnungen in Reihe liegenden
Schalter können jedoch dabei nicht einpolig auf Bezugspotential gelegt werden. FUr
sie muß also dann ein schwimmendes Potential in Kauf genommen werden.
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An Hand von in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungabeispielexl
soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 die Grundschaltung für eine elektrische Schaltungsanordnung nach der Erfindung
mit einer bevorzugten Bemessung der Kondensatoren, Fig. 2 ein Diagramm der Schalterfunktionen
der Schalter bei der Schaltung nach Fig. 1, Fig. die Funktion der Schaltung nach
der Fig. 1 näher er-3 bis 6 läuternde Ersatzschaltbilder, Fig. 7 eino aktive RC-Schaltung
nach der Erfindung, Fig. 8 eine weitere aktive RC-Schaltung nach der Erfindung,
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel fUr eine Kettenschaltung der Schaltung nach der Fig.
1.
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Die erfindungsgemäße Schaltung nach der Fig. 1 stellt einen Vierpol
VP dar, dessen Eingangsklemmen mit den Anschlüssen einer Signalquelle Sig und dessen
ausgangsseitige Anschlüsse mit den Anschlüssen eines Verbrauchers V verbindbar sind.
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Der Vierpol VP kann als ein X-Glied mit einem ersten Schalter sl im
Querzweig und Je einem Kondensator Cl im lrängszweig
aufgefaßt werden,
den auf beiden Seiten eine von einem zweiten Schalter s2 Uberbrückbare aktive RC-Schaltung,
bestehend aus der Reihenschaltung eines Kondensators C2 mit einer negativen Kapazität
und einem negativen Widerstand -R parallel angeschaltet ist.
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Der erste Schalter al und die zweiten Schalter s2 werden jeweils von
nicht näher dargestellten Taktpulsen gesteuert, die die in der Fig. 2 angegebenen
Schaltfunktionen für den ersten Schalter al einerseits und die zweiten Schalter
G2 andererseits erzwingen. Die Stellung "Schulter auf11 ist bei den Diagrammen durch
"a" und die Stellung "Schalter zu" durch "z" markiert. Die Periode fUr sämtliche
Schalter ist T. Außerdem haben die impulsförmigen Schaltfunktionen für den ersten
Schalter einerseits und die zweiten Schalter andererseits, bezogen auf einen festen
Zeitpunkt, gleiche Phase. Die Schaltzeit für die zweiten Schalter s2 ist mit t'
und die Schaltzeit für den ersten Schalter s1 mit t" angegeben. Die Schaltzeit t"
ist größer gewählt als die Schaltzeit t', um sicherzustellen, daß in keinem Zeitpunkt
des zeitlichen Ablaufs der Schaltfunktionen der erste Schalter ei und die zweiten
Schalter s2 gleichzeitig geschlossen sein können.
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Wie die Diagramme der Fig. 2 weiter erkennen lassen,- sind die Schaltzeiten
t' und t sehr klein gegen die Periode T gewühlt. Dies ermöglicht es, die zweifache
Bedingung der Zeitkonstante der aktiven RC-Schaltungen, die groß gegen die Schaltzeit
t' bze7. t", aber klein gegen die Periode T sein soll, durch geeignete Bemessung
der Größe der in der Schaltung auftretenden Zei-tkonstant-RC2 zu erfüllen.
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Von den in der Fig. 1 weiterhin angegeben Zeitpunkten tl bis t4 bezeichnen
t1 einen Zeitpunkt unmittelbar vor Beginn eines ersten Schaltvorganges, t2 die Mitte
der Schaltzeit
dieses ersten Schaltvorgangeu, t3 einen Zeitpunkt-unmittelbar
nach Beendigung des genannten ersten Schaltvorganges und t4 einen Zeitpunkt umnittclbar
vor Beginn des darauf folgenden zvrciten Schaltvorganges. Das Ersatzschaltbild der
Fig. 3 spiegelt die elektrischen Verhältnisse der Schaltung nach der h'ig. 1 im
Zeitpunkt tl wieder. Entsprechendes gilt für die Ersatzschaltbilder der Fig. 4 und
5 für die Zeitpunkte t2 und t3. Das Ersatzschaltbild der Fig. 6 gibt seinerseits
die elektrischen Verhältnisse auf der Ausgangsseite der Schaltung nach der Fig.
1 im -Zeitpunkt t4 wieder.
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Im folgenden soll nun an Hand dieser Brsatzschaltbilder, unter Hinweis
auf die Schaltung nach der Fig. 1 und die Schalterfunktionen nach der Fig. 2, die
Wirkungsweise des Erfindune-sgegenstandes im einzelnen beschrieben werden. Dabei
wird von der in der Fig. 1 angegebenen Bemessung für die ersten Kondensatoren Cl
und die zweiten Kondensatoren C2 entspre-0 chend den Beziehungen C1 = C und C2 =
- C Gebrauch gemacht.
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2 Bei dieser Bemessung ergibt sich, wie noch gezeigt werden wird,
gerade eine verlus tloso Energieübertragung zwischen den beiden, jeweils aus einem
Kondensator C1 und einem Kondensator C2 bestehenden Speicheranordnungen.
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Im Zeitraum vor dem Zeitpunkt tl, in dem der erst-e Schalter s2 geschlossen
und die zweiten Schalter s2 geöffnet sind, liefert die Signalquelle Sig einen Ladestrom
I, durch den in die linke Speidleranordnung eine Ladung eingespelUhert wird. Das
Signal kann eine Wechselspannung mit einer höchsten Frequenz fs sein. Damit die
Übertragung des Signals unverfälscht erfolgt, muß der reziproke Wert dieser höchsten
Signalfrequenz fs größer sein als die zweifache Periode T der Schaltfunktion der
Schalter bzw. der diese Schalter steuernden Taktpulse (Abtastgheorem). Außerdem
wird gemäß der Erfindung
vorausgesetzt, daß die Zeitkonstante
T der aktiven RG-Schaltungen der Beziehung t" << - RC2 << T gilt. Unter
Berücksichtigung dieses Sachverhalts kann der Widerstand -R bei der Aufladung der
Signalseite praktisch vernachlassigt werden. Im Zeitpunkt tl gelten somit die im
Ersatzschaltbild der Fig. 3 angegebenen Ladungszustände.
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Hiernach haben sich beide Kondensatoren C1 und C2 auf die Spannung
U aufgeladen. Das entspricht einer Ladung Q1 = C . U des Kondensators C1 und einer
Ladung Q2 = -C . 2 des Kondensators C2. Die Ladungen Q1 und Q2 der Kondensatoren
C1 und C2 der Speicheranordnung auf der Verbraucherseite sind Jeweils Null.
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Im Zeitpunkt t2 ist der erste Schalter sl offen, während die zweiten
Schalter s2 geschlossen sind. Wie das zugehUrige brsatzschaltbild der Fig. 4 erkennen
laßt, erfolgt nunmehr eine Umladung zwischen den beiden ersten Kondensatoren C1
der beiden Speicheranordnungen im Sinne eines Ladungsausgleiches. Da dieser Schaltzustand
nur sehr kurze Zeit andaucrt und die Zeitkonstante z der aktiven Rd-Schaltungen
groß gegen diesen Zeitraum (t', t") ist, kann sich der Kondensator C2 der aktiven
RC-Schaltung auf der Signalseite praktisch nicht entladen; er behält also seine
Ladung Q2 = -CU bei. Die Ladung Ql = C . U des signalseitigen 2 Kondensators C1
verteilt sic dagegen, wie bereits erwähnt worden ist, auf beide nunmehr in Reihe
geschaltete Kondensatoren C1. Somit laden sich beide Kondensatoren im Zeitraum CU
des Schaltvorgangs der Schalter auf die Ladung Ql = 2 Mit dem Ende dieses Schaltvorgangs,
bei dem der erste Schalter sl wiederum schließt und die zweiten Schalter s2
erneut
öffnen, werden die signalseitige und die verbrauenerscitige Speicheranordnung wiederum
voneinander getrennt.
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Schaltungsmäßig ergibt sich also im Zeitpunkt t;3, wie in der Fig
5 angegeben, das gleiche Ersatzschaltbild wie im Zeitpunkt tl entsprechend der Pig.
3. Auf der Signalseite wie auch auf der VerUraucherseite sind nunmehr die Kondensatoren
C1 und C2 wiederum einander parallelgeschaltet. Dies bedeutet, daß nach Becndigung
der nunmehr einsetzenden Ausgleichsvorgänge an beiden Kondensatoren Cl und C2 jeweils
die gleiche Spannung anstehen muß. Zu Beginn des einsetzenden Ausgleichsvorgangs
auf der Signal seite fällt am Kondensator U C2 die Spannung U und am Kondensator
Cl die Spannung 2 ab.
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Beide Kondensatoren haben gleich große Ladungen, jedoch mit entgegengesetztem
Vorzeichen. Dies bedeutet, daß sich beide Kondensatoren in Zuge des Ausgleichsvorgangs
vollständig entladen müssen. Gleichzeitig wird in die signalseitige Speicheranordnung
von der Signalquelle Sig her durch den nunmehr wieder fließenden Ladestrom I eine
weitere Ladung eingespeichert.
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Auf der Verbraucherseite gilt für den Ausgleichsvorgang zwischen den
nunmehr parallelgeschalteten Kondensatoren Cl und C2 Entsprechendes. Im Zeitpunkt
t3 unmittelbar nach dem Uebergang der Schalter in ihre Ruhelage liegt am Kondensator
U C1 die Spannung U2 entsprechend der ihm eingespeicherten CU Ladung Q1 = 2 . Der
Kondensator C2 hat keine Ladung. Da er nur eine negative Ladung aufnehmen kann,
das System aber insgesamt keinen Ladungszux7achs erhält und das Ziel des Ausgleichsvorgangs
in der gleichen Spannung U' an den einander parallelgeschalteten Kondensatoren festgelegt
ist, ergeben sich im Zeitpunkt t4 die in der Fig. 6 angegebenen Ladungs- und Spannungsverhältnisse.
Danach lädt sich der K ndensator C1 auf die Ladung Q1 = G U und der Kondensator
U
C2 auf die Ladung Q2 = - C . 2 auf. Die Spannung U' an den beiden Kondensatoren
ist nunmehr U. Dieses Ergebnis entspricht der verlustlosen Übertragung der in die
signalseitige Speicheranordnung eingespeicherten Energie in die verbraucherseitige
Speidieranordnung.
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Eine Vergrößerung des Betrages der Kapazität des Kondensa-3 tors C2
beispielsweise auf - 3 C hätte eine Verstärkung der 4 vom signalseitigen Speicher
auf den verbraucherseitigen Speicher übertragenen Energie zur Folge. Umgekehrt würde
eine rerlclcinerung des Kapazitätswertes des Kondensators C2 einen Lnergieverlust
bei der Übertragung mit sich bringen.
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Durch geeignete unterschiedliche Bemessung der hapazitäten der Kondensatoren
C1 in beiden Spcicheranordnungen kann eine bestimmte gewünschte energiebilanz des
Energieaustausches ebenfalls erreicht werden.
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Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß die aus der Reihenschaltung
eines Kondensators C2 mit negativer Kapazitat und einem negativen Widerstand -R
gebildete aktive RC-Schaltung sich mit Hilfe eines negativen Impedanzkonverters
realisieren läBt. In der Fig. 7 ist eine solche Schaltung angegeben. Der negative
Impedanzkonverter NIC ist ein Vierpol, - dem eingangsseitig die Reihenschaltung
aus dem Kondensator C2' und dem Widerstand R' parallelgeschaltet 0 ist. Der Kondensator
C2' hat dabei den Kapazitätswert 2 und der Widerstand R' den Widerstand-awert R.
Der negative Impedanzkonverter transformiert diesen Zweipol mit negativer Impedanz
an sein ausgangsseitiges Anschlußpaar. Die in der Fig. 7 angegebene Schaltung hat
den Vorteil, daß der negative Impedanzkonverter NIC ebenfalls wie die Schalter mit
einem Anschluß mit Bezugspotential verbunden sein kann.
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Bei sehr hohen Folgefrequenzen der die Schalter steuernden Taktpulse,
wie sie notwendi werden, wenn das über die Umladeschaltung zu übertragende Signal
eine große Bandbreite und damit eine hohe obere Grenzfrequenz aufweist, können die
Nac}iladevorgä'nge, die wegen der Zeitkonstante # eine endliche Zeit erfordern,
zu Störungen Anlaß geben. In diesem Fallc ist es sinnvoll, die Zeitkonstante zeitabhängig
.derart zu steuern, daß z während eines Schaltvorgangs sehr groß und im Zeitraum
zwischen zzlei aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen vernachlässigbar klein ist.
Dies läßt sich in einfacher Weise dadurch erreichen, daß wie die Fig. 8 erkennen
läßt, der ' iderstand R' nach der Fig. 7 durch einen im Ruhezustand geschlossenen
Schalter s3 ersetzt wird und dieser Schalter, wie in der Fig. 2 angedeutet ist,
ebenfalls von dem den ersten Schalter el steuernd.en Taktpuls gesteuert wird.
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Die Fig. 9 zeigt abschließend eine Kettenschaltung der in der Fig.
1 dargestellten Schaltung, wie sie beispielsweise zum Aufbau von Laufzeitketten
in Frage kommt. Die Vierpole VP darstellenden Schaltungsanordnungen sind jeweils
über im Ruhezustand geöffnete Schalter s4 miteinander verbunden, deren Steuer takt
die gleiche Folgefrequenz wie die Steuertakte für den ersten und die zweiten Schalter
der Vierpole VF aufweist, jedoch hierzu vorzugsweise um 1800 in der Phase verschoben
ist.
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7 Patentansprüche 9 Figuren