DE2214949A1

DE2214949A1 - Steuereinrichtung fur ein Steuer bares Bauelement

Info

Publication number: DE2214949A1
Application number: DE19722214949
Authority: DE
Inventors: Peter Murrysville Pa Wood (V St A) H02p 13 16
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-03-29
Filing date: 1972-03-27
Publication date: 1972-10-12
Also published as: CH547582A; JPS4735722A; JPS5140782B1; US3684898A

Description

WESTINGHOUSE . Erlangen, den

ELECTRIC CORPORATION ■ Werner-von-Siemens-Str.50 Pittsburgh, Pa., USA

Unsere Zeichen: VPA 71/8346

(Case 41 922)

Steuereinrichtung für ein steuerbares Bauelement

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für ein steuerbares Bauelement, mit einer Steuerleitung, deren Steuerstrom durch Halbleiterbauelemente beeinflußbar ist. Mit der Steuereinrichtung lassen sich insbesondere steuerbare Stromrichterventile aussteuern, die auf hohem Potential betrieben werden.

Steuerbare Stromrichterventile, beispielsweise Thyristoren, werden in weitem Maße in steuerbaren Energieversorgungssystemen benutzt. Steuerbare Siliziumgleichrichter werden in Schalt- und Regeleinrichtungen angewendet, die mit relativ niedrigen Spannungen betrieben werden. Wird das Stromrichterventil zum Schalten hoher Wechsel- oder Gleichspannungen verwendet, so muß das Stromrichterventil bei hoher Spannung betrieben werden, wodurch spezielle Steuerschaltkreise zur Heranführung des Steuersignals benötigt werden. Da es unpraktisch wäre, die Taktgeberschaltkreise ebenfalls bei dem hohen Potential der Stromrichterventile zu betreiben,. ■ muß man Vorkehrungen zur Potentialtrennung der Stromrichter vom Taktgeber treffen.

Wichtig ist es außerdem bei auf hoher Spannung betriebenen Stromrichterventilen ein Steuersignal vorzusehen, das eine relativ steile Anstiegsflanke und eine genügend große Impulshöhe besitzt. Es ist bei gesteuerten Anlagen, die auf hohem

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Potential oder rait großen Strömen arbeiten, üblich, mehrere Stromrichterventile entweder in Serie oder parallel oder in einer Serien-Parallelschaltung zu betreiben. Falls dabei nicht jedes Stromrichterventil zum im wesentlichen gleichen Zeitpunkt gezündet wird, wird eines der Stromrichterventile im Schaltkreis einen größeren Teil der Belastung zu tragen haben und es kann zu einer Zerstörung dieses Stromrichterventils kommen. Es ist bekannt, daß ein Steuersignal, das eine steile Anstiegsflanke und eine große Impulshöhe besitzt, die Zeitdifferenzen zwischen den Zündzeitpunkten verschiedener Stromrichterventile im gleichen Schaltkreis vermindert.

Problematisch ist es, bei auf hoher Spannung betriebenen Stromrichterventilen das Steuersignal vom Zeitgeber auf die Stromrichterventile zu übertragen. Bekannte Vorrichtungen benützen Spannungsübertrager zur Übermittlung des Zeitgebersignals und der Steuerenergie und zur gleichzeitigen Potentialtrennung der Hochspannung der Stromrichterventile von dem Taktgeberschaltkreis. Diese Methode besitzt Nachteile, da Energietransformatoren den Hochfrequenzanteil eines schnell ansteigenden Impulses nicht übermitteln können. Verschiedentlich wurde versucht, die zur Steuerung der Stromrichterventile benötigte Energie auf einem Sjtromweg und das Zünd- bzw. Steuersignal auf einem anderen gesonderten Stromweg zu übertragen. Das große Angebot von Fotodioden und Licht emittierenden Dioden führte zur Anwendung optisch gesteuerter Ubertragungskanäle. Die physikalische und elektrische Trennung der beiden Steuerwege sichert eine genügende Spannungsisolation und ermöglicht in einfacher Weise die übertragung steiler Impulse.

Bei Hoch-Gleichspannungsanwendungen wird bei einigen Steuerverfahren die Steuerenergie direkt aus dem hohen Potential der Stromrichterventile abgeleitet. Bei Anwendungen, bei denen eine Wechselspannung geschaltet oder geregelt werden soll, ist es i. a. nicht möglich, die Steuerenergie aus dem . - -. 3 -

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Potential der Stromrichterventile abzuleiten.

Ls besteht die Aufgabe, eine Steuereinrichtung zu schaffen, über die Stromrichterventile, die sich auf hohem Potential befinden, mit Impulsen großer Impulshöhe und schneller Anstiegszeit angesteuert werden können. Die Einrichtung soll einfach und mit geringem wirtschaftlichem Aufwand zu verwirklichen sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß durch den Aufbau der Steuerleitung eint Potentialtrennung zwischen steuerbarem Bauelement und einer Versorgungsquelle erfolgt, daß die Halbleiterbauelemente in Steuerabhängigkeit von einem fotoelektrischen Bauelement stehen und daß die Halbleiterbauelemente in einer bistabilen Kippstufe angeordnet sind, in deren einen stabilen Zustand eine Spannung an eine Steuerelektrode des steuerbaren Bauelementes gelegt ist, die das Bauelement durchsteuert und in deren anderen stabilen Zustand eine Vorspannung an die Steuerelektrode gelegt ist, die das Bauelement sperrt. Vorzugsweise enthält die Steuerleitung zwei Stromumformer, wobei jeder Stromumformer eine für hohen Strom ausgelegte Primärwindung und eine für kleinen Strom ausgelegte Sekundärwindung besitzt, wobei die Primärwindungen beider Stromumformer miteinander verbunden sind und wobei die Sekundärwicklung aes einen Stromumformers mit der Versorgungsquelle verbunden ist, die e;inen im wesentlichen konstanten Strom abgibt und die Sekundärwindung des anderen Stromumi'ormers eine Mittelanzapfung aufweist und mit einem Gleichrichter verbunden ist.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann ein neues und vorteilhaftes Verfahren zur Ansteuerung von Stromrichtei^- ventilen durchgeführt werden, die auf hoher Spannung arbeiten. Die Steuerenergie wird über einen Übertragungskanal übertragen, der mit Stromumformern ausgerüstet ist und mit

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einer Konstantstromquelle verbunden ist. Mit diesem Übertragungskanal wird eint Gleichspannung erzeugt, die eine Konstantstromcharakteristik aufweist und aus der die Energie für den Zündimpuls der Stromrichterventile und die damit verbundenen Steuerkomponenten entnommen wird. Die Steuerung der Zündenergie erfolgt über einen vorzugsweise mit einer Fotodiode optisch gesteuerten Kanal. Dabei wird an die Steuerelektrode des Stromrichterventiles eine Sperrspannung gelegt, falls kein Steuerimpuls ansteht. Da die Energie für die Zündimpulse und den Steuerschaltkreis eintr Konstantstromquelle entnommen wird, ist die Steuereinrichtung für Stromrichtersysteme geeignet, die mit Wechselspannung bzw. Gleichspannung betrieben werden können.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Steuereinrichtung beispielshaft anhand der Figur naher beschrieben.

In der Figur ist das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung dargestellt. Die Mngänge 12, 14 und eines Frequenzwandlers 10 sind mit ein^r v/echselspannungsquelle verbunden, die eine im wesentlichen konstante Spannung liefert. Beim Ausführungsbeispiel ist ein magnetisch arbeitender Spannungswandler vorgesehen, der mit Transduktoren bestückt sein kann und einen Sinphasenausgang und einen Dreiphaseneingang aufweist. ü,s sei angenommen, daß eine Wechselspannung von 60 Hz am Frequenzwandler 10 liegt. Falls der Frequenzwandler 10 die Frequenz verdreifacht, liegt dann am Ausgang eine Wechselspannung von 180 Hz. Dieser beispielhaft gewählte Frequenzwert von 180 Hz ist günstig, da er die Benutzung von Induktivitäten gestattet, die für relativ niedere Frequenzen ausgelegt sind und gut gefiltert werden kann.

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Der Ausgang des Frequenzwandlers 10 ist mit der Serienschaltung einer Induktivität 18 uncL einer Kapazität 20 verbunden, iülri Stromwandler 22 mit einer Primärwindung 28, einer Sekundärwindung 27 und einem Kern 26 liegt mit seiner Sekundärwindung 24 parallel zum Kondensator 20. Die relativ konstante Spannung am Ausgang des Frequenzwandlers 10 erzeugt einen relativ konstanten Strom durch die Sekundärwindung 24 des Stromumformers 22. Lin zweiter Stromübertrager 30, der einen Magnetkern 32, eine Primärwindung 34 und eine mit Mittelanzapfung 68 versehene Sekundärwindung 36 besitzt, ist mit seiner Primärwindung 34 an die Primärwindung 28 des Stromübertragers mit Leitungen 38 und 40 angeschlossen. Wegen der durch den Übertrager 30 erfolgten Isolation liegt die "Schwimmspannung" der Sekundärwindung 36 nicht an der Frimärwindung 34, den Leitern 38 und 40, dem Übertrager 22 und der nachfolgenden üiergieversorgungsquelle. Die Versorgungsquelle liegt daher gewöhnlich auf einem Potential in der Nähe des IJullpotentials, während die Windung 36 sich im Vergleich zum Nullpotential auf einem relativ hohen Potential befinden kann.

Ungesteuerte Stromrichterventile 42, 44, 46 und 48, beispielsweise Siliziumgleichrichter, sind in Brückenschaltung an die Außenanschlüsse der Sekundärwicklung 13 gelegt. Ausgehend vom Verbindungspunkt 52, der sich auf positivem Potential befindet, fließt der Strom durch eine Glättungsinduktivität 50. Zwischen dem Verbindungspunkt 58, der sich ebenfalls auf positivem Potential befindet und der Steuerelektrode 64 des steuerbaren Stromrichterventils 60 ist ein Widerstand 54 und eine Avalanche-Diode geschaltet, jjin Widerstand 52 liegt zwischen der Steuerelektrode 64 und dem Verbindungspunkt 66, der negative Spannung besitzt, die Mittelanzapfung 68 der Sekundärwindung 36 ist mit der Kathode 70 des steuerbaren Strom-

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richterventiles 60 verbunden, !tine Diode 72 liegt zwischen der Steuerelektrode 64 und der Kathode 70 des Scromrichterventiles 60, die Polung dieser Diode kann der Zeichnung entnommen werden.

Das steuerbare Stromrichterventil 60 kann ein gesteuerter Siliziumgleichrichter sein und kann als steuerbares Schaltelement in einem weiteren Stromkreis eingefügt sein. In der Figur ist ein Stufenschalter 74 gezeigt, der als Wechselstromsteller betrieben werden kann. Die gestrichelten Linien 76 und 78 deuten an, wie die steuerbaren Stromrichterventile 60 in diesen Schaltkreis eingebaut sind. Der Stufenschalter 74 enthält einen Transformator mit einem Magnetkern 80, einer Priinärwindung und einer Sekundärwindung 87. An die Klemmen 84 und 86 der Primärwindung 82 ist eine Wechselstromquelle angeschlossen. Die Sekundärwindung 87 besitzt einen Mittelabgriff 98. Im Lasol^reis befindet sich eine Last 88 und* Stromrichterventile 90, 92 und 94. In diesem Schaltkreis kann jedes Stromrichterventil 90, 92, 94 und 60 über eine gesonderte Steuereinrichtung angesteuert sein. Um die Übersichtlichkeit zu wahren, sind die Steuereinrichtungen für die Stromrichterventile 90, 92 und 94 nicht dargestellt. Durch die Aussteuerung der stromrichterventile kann der Strom gesperrt bzw. eingeschaltet werden und im durchgesteuerten Zustand liegt die Last 88 über die Leitungen 96 oder 98 an der Sekundärwindung 96.

Selbstverständlich kann das Stromrichterventil 60 in einem anderen Schaltkreis angeordnet sein oder in Korabination mit einer Serienschaltung, einer PareJ.ielschL.li/dnp; oder einer Serien-Parallelschaltung von ..trornrichter-vt.ntiien verwendet werden. Das Stromrichterventil 60 kann auch in ein Hoch-Gleichspannungssystem eingesetzt sein, um die Größe der Ausgangsspannung zu steuern. Die beschriebene Steuereinrichtung kann in Verbindung mic Je-

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dem Schaltkreis verwendet werden, bei dem eine Steuerung von Stromrichterventilcn durch ein Steuersignal benötigt wird. Besonders geeignet ist die Steuereinrichtung, jedoch in Schaltkreisen, in denen die zu steuernden Stromrichterveritile auf hohem Potential liegen.

Kaskadenschaltung 100 ist mit dem Verbindungspunkt 102, der Dioue 72 und dem Verbindungspunkt 104 verbunden, der zwischen der Avalanche-Diode 56 und dem Widerstand 54 angeordnet ist. Über den Verbindungspunkt 58, der positive Gleichspannung besitzt, wird der Schaltungsteil 100 mit Energie versorgt. Der Schaxtungsteil 100 enthält npn-Transistoren 106 und 108, einen pnp-Transistor 110, Widerstände 112, 114,,116, 118 und 120 und eine Fotodiode 122. In dem Schaltungsteil 100 kann der pnp-Transistor 110 durch einen npn-Transistor ersetzt werden, hierzu müssen Emitter und Kollektor vertauscht werden. Die Schaltung 100 kann zwei Schaltzustände einnehmen, in einem Schaltzustand ist sie eingeschaltet, im anderen ausgeschaltet. Venn der Schaltungsteil 100 eingeschaltet ist, so sind die beiden Verbindungspunkte 102, 104 elektrisch miteinander verbunden. Ist die Kippstufe ausgeschaltet, so sind die Vcrbindungspunkte 102 und 104 elektrisch voneinander getrennt.

Die bistabile Kippstufe 100 wird gestellt, wenn die Fotodiode 122 mit elektromagnetischer Energie bestrahlt wird, die im oder nahe beim Sichtbarkeitsbereich liegt. Wird die Diode 122 bestrahlt, so führt sit in umgekehrter Richtung Strom und der Spannungsabfall an Widerstand 102 wird vergrößert, wodurch der Transistor 106 durchgesteuert wird. Damit wird die Spannung am Widerstand 114 vergrößert und der Transistor 110 wird durchgesteuert. Dies führt zu einer größeren Spannung am Widerstand 120, womit der Transistor 108 ausgesteuert ist, über den die Verbindungspunkte 102 und 104 eiJrci sch miteinander verbunden sind. Die Foto-

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diode 122 kann eint PJN-Seliziumdiocie sein.

Der Strahlungsweg 124 für die elektromagnetische Energie verläuft zwischen der Diode 122 und einem geeigneten Strahler 126. Zur übertragung kann ein Linsensystem oder eine Plastik- bzw. Glasfiberoptik benützt werden. Das Medium 128 durch das die Fotodiode 122 und der Strahler 126 getrennt sind, kann ein Vakuum, ein Gas, ein lichtdurchlässiger Festkörper oder eine lichtdurchlässige Flüssigkeit sein, wie sie beispielsweise zur Isolation bzw. Kühlung der gesamten Vorrichtung benutzt wird. Falls man eine Fiberoptik benutzt, sind die optischen Eigenschaften des Trennmediums 128 völlig unwesentlich. Der Strahler für elektromagnetische Energie kann ein Photonen emittierendes Halbleiterbauelement, beispielsweise eine Galiumarseniddiode oder eint Galiumphosphiddiode sein. Die besondere Pulsfolgefrequenz oder Zeitgeberfrequenz, die zum Betrieb des Stromrichterventiles benötigt wird, wird vom Zeitgeberschaltkreis 130 erzeugt, der den Energiestrahler 126 ansteuert. Die bistabile Kippstufe 100, die die Fotodiode enrhält, kann als integrierter Schaltkreis mit Silizium als Halbleitermaterial hergestellt sein.

Zur Beschreibung der "Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es günstig, sich auf zwei Zweigströme zu beziehen. Der eine Strom I_n fließt durch den Leiter 132,

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der mit dem Mittelabgriff 68 verbunden ist. Dieser Strom ist durch den Pfeil 134- gekennzeichnet. I,, fließt weiter dui'ch den Widerstand 62, wo er mit dem Pfeil 136 gekennzeichnet ist. Der zweite Zweigstrom I_G fließt ebenfalls über den Leiter 132 und ist dort mit dem Pfeil 138 gekennzeichnet, er fließt weiterhin über den Y/idcrstand 54, wo er mit dem Pfeil 140 bezeichnet ist. Falls man einen Zeitpunkt betrachtet, in dem die Fotodiode 122 bestrahlt v/ird, so ist die Schaltstufe 100 in ihrem eingeschalteten

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Zustand und die Verbindungspunkte 102 und 104 sind elektrisch miteinander verbunden. Dies bewirkt, daß der Strom Ip vom Verbindungspunkt 104 zum Verbindungspunkt fließt und von dort durch den Leiter 132, der mit dem Mittelabgriff 68 verbunden ist. jjin vernachlässigbarer Strom fließt in diesem Fall durch die Avalanche-Diode 56, da die an dieser Diode abfallende Spannung nicht ausreicht, um den Avalanche-Lffekt einzuleiten. Da der Widerstandswert des Widerstandes 62 erheblich größer ist, als der Widerstandswert des V/iderstandes 54, führt die Diode keinen wesentlichen Teil des Stromes I~, über den Widerstand 62. Der Strom I_n fließt durch die Diode 72 und den Widerstand 62. Damit fällt eint Spannung, an der Diode 72 ab, die als Sperrspannung an der Steuerelektrode 64 des Stromrichterventils 60 liegt. Diese Sperrspannung sperrt das Stromrichterventil 60.

Wird die Fotodiode 122 nicht bestrahlt, so ist die Kippstufe 100 in ihrem ausgeschalteten Zustand und die Verbindungspunkte 102 und 104 sind elektrisch getrennt. Die an der Avalanche-Diode 56 abfallende Spannung reicht für einen Durchbruch der Diode 56 nicht aus und der Strom I^ fließt über die Avalanche-Diode 56, die Steuerstrecke des Stromrichterventiles 60 und den Leiter 132 zur Mittelanzapfung 68. Das Stromrichterventil 60 ist unter diesen Bedingungen ausgesteuert. Da die Kippstufe 100 im wesentlichen unverzögert schaltet, besitzen die Stromimpulse, die die Schaltstrecke des Stromrichterventils durchfließen, eine kurze Anstiegszeit und eint relativ große Impulshöhe.

6 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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Patentansprüche

Steuereinrichtung für ein steuerbares Bauelement, mit einer Steuerlcitung, deren Steuerstrom durch Halbleiterbauelemente beeinflußbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Aufbau der Steuerleitung (26, 32) eine Potentialtrennung zwischen steuerbarem Bauelement (60) und einer Versorgungsquelle (10) erfolgt, daß die Halbleiterbauelemente (106, 108, 110) in Steuerabhangigkfcit von einem fotoelektrischen Bauelement (122) stehen und daß die Halbleiterbauelemente in einer bistabilen Kippstufe (100) angeordnet sind, in deren einen stabilen Zustand eine Spannung an eine Steuerelektrode (64) des steuerbaren Bauelementes gelegt ist, die das Bauelement durchsteuert und in deren anderen stabilen Zustand eine Vorspannung an die Steuerelektrode gelegt ist, die das Bauelement sperrt.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung zwei Stromumformer (22, 30) enthält, daß jeder Stromumformer eine für hohen Strom ausgelegte Primärwindung (28, 34) und für kleinen Strom ausgelegte Sekundärwindung (24, 36) besitzt, daß die Primärwindungen beider Stromumformer miteinander verbunden sind, daß die Sekundärwindung des einen Stromumformers mit der Versorgungsquelle (10) verbunden ist, die einen im wesentlichen konstanten Strom abgibt und daß die Sekundärwindung des anderen Stromumformers eine Mittelanzapfung (68) aufweist und mit einem Gleichrichter (42, 44, 46, 4S) verbunden ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fotoelektrische· Bauelement (122) eine Fotodiode ist.

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4. Stromrichterventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsquelle (10) einen magnetisch arbeitenden Frequenzwandler aufweist, dessen Ausgänge über eine Serieiischaltung von Induktivitäten (118) und Kapazitäten (20) miteinander verbunden sind und daß die Sekundärwicklung (24) des einen Stromumformers (22) an den Kapazitäten liegt.

5. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Kippstufe (100) zwei Stromwege (Ι_β, l_p) enthält, daß der erste- Stromweg zwischen der Mittelanzapfung (68) der Sekundärwindung (36) des zweiten Stromumiormers (30) und e±nem Gle-ichrichtereingang (52) und der zweite ütromweg zwischen der Mittelanzapfung und dem anderen Gleichrichtereingang (66) verläuft, daß der erste Stromweg zwei Abgriffe aufweist, zwischen denen eine Avalanche-Diode (56) und die Steuerstrecke (64, 70) des steuerbaren Bauelementes in Serie geschaltet sind und mit denen die Halbleiterbauelemente (10b, 108, 110) verbunden sind, wobei bei angesteuerten Halbleiterbauelenenten die Steuerstrecke und die Avalanche-Diode von einem Stromfluß über die Halbleiterbauelemente umgangen sind, daß der zweite Stromweg ebenfalls zwei Abgriffe aufweist, zwischen denen eine Diode (72) und die Steuerstrecke (64, 70) des steuerbaren Bauelementes (60) parallel zueinander geschaltet sind, wobei zwischen diesen Abgriffen eine Sperrspannung i'ür das steuerbare Bauelement liegt, wenn die- Halbleiterbauelemente nicht angesteuert sind.

6. Steuersatz nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter eine Brückenschaltung von Stromrichterventilen (42, 44, 46, 48) ist, daß zwischen einem Brückeneingang (52) und der Mittelanzapfunc (68) der Sekundärwindung (36) ein«. Induktivität (50), ein "widerstand (14O) die Avalanche-Diode (56) und die Parr "^!schaltung von Diode (72) und Steuerstrecke (64,

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(Case 41 922)

70) des steuerbaren Bauelementes (60) in Reihe geschaltet sind, daß der andere Brückeneingang (66) über einen Widerstand (136) mit dem Verbindungspunkt zwischen Avalanche-Diode und Parallelschaltung von Diode und Steuerstrecke verbunden ist, daß die Halbleiterbauelemente (106, 108, 110) Transistoren sind, die in einer Kaskadenschaltung vereint und durch den Gleichrichter gespeist sind, daß die Kaskadenschaltung zwei Ausgänge aufweist, von denen einer mit der Kittelanzapfung der Sekundärwicklung und der andere mit einen Verbindungspunkt zwischen Avalanche-Diode und einem in Serie geschalteten Widerstand (54) verbunden ist.

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