DE2218753A1

DE2218753A1 - Doppler-radarsystem

Info

Publication number: DE2218753A1
Application number: DE2218753A
Authority: DE
Inventors: Ernest F Darboven; Leon R Solomon
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1971-07-06
Filing date: 1972-04-18
Publication date: 1973-01-25
Also published as: FR2144651A1; CA960765A; FR2144651B1; DE2218753C3; US3710386A; JPS528156B1; IT970681B; GB1343259A; DE2218753B2; SE377726B

Description

Bei der Signalverarbeitung, beispielsweise in Radaroder Sonar-Systemen, besteht die erste Aufgabe in der Regel
darin, den Informationsgehalt eines eingehenden, rohen, analogen Signals von unerwünschten Störsignalen, beispielsweise einem Breitbandempfängerrauschen, zu isolieren, welche manchmal die gewünschte Information vollständig verdecken können. Werden Informationen tragende Signale, die von mehreren Quellen oder Kanälen herrühren, gesondert empfangen, dann müssen sie dabei gewöhnlich getrennt verarbeitet werden,, um eine Zuordnung der geweiligen Information zur falschen Quelle bzw.
zum falschen Kanal zu vermeiden. Obwohl diese getrennte Verarbeitung demnach wünschenswert ist, ist damit bisher häufig ein umfangreicher Mehrfachaufbau der Verarbeitungsgeräte verbunden, indem nämlich für jeden Informationskanal· ein gesondertes Verarbeitungssystem vorgesehen ist.

Insbesondere bei Doppler-Radarsystemen für die
zeugbordnavigation werden mehrere Mikrowellenenergie strahl en schräg zum Boden gesendet und empfangen, und zwar in einer
sich wiederholenden Folge. Die empfangenen Signale können

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beispielsweise vier unabhängigen Kanälen zugeordnet sein, welche vier im Zeitmultiplexbetrieb behandelten Strahlen entsprechen, wobei eine wiederholte Berechnung und Prüfung zur Identifizierung der Doppler-Spektren erfolgt.

Üblicherweise wird eine Frequenznachlaufschleife verwendet, um mehrere entsprechende Empfängeroszillatoren auf denjenigen diskreten Frequenzen zu halten, welche jeweils die Spitzenleistungsfrequenz im Spektrum des zugehörigen Kanals repräsentieren. Bisher ist lediglich für den Diskriminator, d. h. das frequenzvergleichende Bauteil der Schleife ein Zeitmultiplexbetrieb mittels der Eingangskanäle vorgesehen. Das Diskriminatorfehlersignal wird dazu verwendet, mehrere gesonderte Integratorverstärker und Oszillatoren zu treiben, welche in die Schleife ein- bzw. aus derselben entsprechend der Aufeinanderfolge oder Sequenz der Eingangskanäle ausgeschaltet werden. Selbst während derjenigen Periodendauern, in denen ein einzelner Integratorverstärker und Oszillator keine neue Information vom entsprechenden Kanal erhält, arbeitet der vom Integrator gehaltene Oszillator mit der letzten Kachlauffrequenz weiter.

Zwar ist die Verwendung mehrerer Integratorverstärker und Oszillatoren von der Funktion her befriedigend, doch wirken sich angepaßte Oszillatoren und Gleichstromfunktionsverstärker geeigneter hoher Güte verteuernd aus.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein mehrstrahliges Doppler-Radarsystem der im Hauptanspruch angegebenen Gattung zu schaffen, bei welchem die Frequenznachlaufschleife ohne Beeinträchtigung ihres Nachlaufvermögens so wenige Komponenten aufweist, wie möglich.

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Dies ist mit den im Hauptanspruch angegebenen, kennzeichnenden Merkmalen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 "bis 4 zu entnehmen.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Frequenznachlaufschleife "bzw. deren Integrator gerät, jeweils in Zeitmultiplexschaltung aufgebaut und nach dem Zeitmultiplexverfahren betrieben, ist auch in anderen, mehrkanaligen Systemen verwenbar. Es wird insbesondere der Vorteil vermittelt, daß Abmessungen und Kosten einer Frequenznachlaufschleife mit Sequenzeingängen vermindert bzw. der Aufbau einer solchen Schleife vereinfacht wird, indem lediglich die eigentlichen Speicherelemente mehrfach vorgesehen sind, während die restlichen, nicht speichernden Komponenten der Schleife im Zeitmultiplexverfahren betrieben werden.

Erfindungsgemäß ist eine Zeitmultiplex-Frequenznachlaufschleife mit einem einzigen spannungsgesteuerten Empfängeroszillator zur aufeinanderfolgenden Wiedergabe der Spitzenleistungsfrequenz des Doppler-Spektrums jedes Kanals vorgesehen. Der Oszillatorausgang wird mit den Doppier-Signalen in "einem Diskriminator zur Erzeugung eines Gleichstromfehlersignals verglichen, welches einem einzigen Gleichstromfunktionsverstärker aufgegeben wird, dessen Ausgangsspannung die Frequenz des Oszillators steuert. Integrationskondensatoren werden einzeln durch Schaltglieder zwischen den Ein- und Ausgang des Verstärkers geschaltet, und zwar in synchronisierter Aufeinanderfolge entsprechend den Doppler-Eingangs signal en. Beim Schalten der Kondensatoren wird ein Abschaltimpuls aufgegeben, um jede Verbindung zwischen den Kondensatoren zu verhindern. Der Ausgang des Verstärkers wird wiederholt gemäß der Sequenz der Doppler-Eingangssignale von einer Spannung zur nächsten geschaltet. Letztere

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Spannung stellt jeweils also die letzte entsprechende Spannung im vorhergehenden Eingangssignalzyklus dar.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Doppler-Radarsystems für Navigationszwecke;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Diskriminators gemäß Fig. 1; .

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Integratorgeräts gemäß Fig. 1j

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Kondensator-Gatters des Integratorgeräts nach Fig. 3$

Fig. 5 eine graphische Darstellung der zeitlichen Aufeinanderfolge von Signalen im System gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist die besondere Verwendung der Zeitmultiplex-Frequenznachlaufschleife bei einem Doppler-Radarsystem für die Bordnavigation von Flugzeugen zur Berechnung der Flugzeuggeschwindigkeit dargestellt. Zwar sind auch kom pliziertere Systeme mit kodierten,'impulsform!gen oder frequenzmodulierten Radarsignalen üblich, jedoch ist zur Erläu terung der Funktionsweise der Nachlaufschleife das grundlegende, mit kontinuierlichen Wellen arbeitende Doppler-Radar system dargestellt.

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Der Ausgang eines beispielsweise mit etwa 13-325 Gigahertz arbeitenden Mikrowellenoszillators 10 wird einer Antennenkombination 11 über ein Duplexgerät 12 zugeführt· Die Antennenkombination 11 kann aus einer einzigen feststehenden oder lenkbaren Antenne oder aus mehreren einzelnen Antennen bestehen, welche Energie in mehreren schmalen, schräg auf die Erdoberfläche gerichteten Strahlen auszustrahlen und zu empfangen vermag bzw» vermögen» Im dargestellten Fall strahlt die Kombination 11 vier gesonderte Strahlen aus.

In der US-Patentschrift Kr. 3 150 375 ist ein typischer Fall der Bestimmung der Steuerkurs- und Driftgeschwindigkeiten mittels vier Strahlen geoffenbart, wobei zwei vordere, links und rechts vom Flugzeug-Vorwärtssteuerkurs nach unten gelichtete und zwei hintere, ähnlich orientierte Strahlen Verwendung finden.

Die der Antennenkombination 11 vom Oszillator 10 aufgegebene Mikrowellenenergie wird aufeinanderfolgend auf die Strahlen 1, 2, 3 und 4 verteilt, und zwar mittels eines Strahlwähl-Schalttreibers 14, welcher die vier Strahlen 1 bis 4 mit etwa 7»5 Hertz kontinuierlich wieder einschaltet, und zwar mit Hilfe eines Folge- und Taktgerätes 16. Werden die Strahlen geschaltet_s dann empfängt die Antennenkombination 11 auch reflektierte Mikrowellenenergie, welche über das Duplexgerät 12 einem Doppler-Verschiebungsdetektor 17 aufgegeben wird, der die Doppler-Phasenverschiebungsfrequenz durch Vergleich mit der Bezugsausgangsleistung des Oszillators 10 feststellt. Bekanntlich ist die Ausgangsleistung des Detektors 17 gleich Null, wenn zwischen der Antennenkombination 11 und derjenigen Oberfläche keine Relativgeschwindigkeit gegeben ist, von welcher einer der Strahlen

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1 bis 4- reflektiert wird. Fliegt das jeweilige Plugzeug {Jedoch Mit einer "bestimmten Geschwindigkeit, dann ist im Ausgang des Detektors 1? eine Doppler-Phasenverschiebungsfrequenz -vorhanden, die mit der Geschwindigkeitskomponente des Flugzeuges in Richtung des Strahls in Beziehimg steht. Ba im reflektierten Signal gewöhnlich Rauschen und Grundtriibung enthalten sind, wird die der Flugzeuggeschwindigkeit zuzurechnende Phasenverschiebungsfrequenz als die Spitzenleistungs- oder Mittenfrequenz, im Spektrum der zurückgegebenen. Frequenzen identifiziert· Der Ausgang des Detektors 17 wird über ein geeignetes Bandfilter 18 und einen Treiberverstärker 19 einer Frequenznachlaufschleife 26 zugeführt, welche die Mittenfrequenz des Doppler-Spektrums feststellt.

Die Schleife 26 weist drei wesentliche Komponenten auf, nämlich einen spammngsgesteuerten finpfangeroszillator 28, dessen Frequenz von der Ausgangsspannung eines Zeitmultiplex-Integratorgeräts 29 gesteuert ist, welches auf den Ausgang eines Diskriminators 31 anspricht. Jedes Doppler-Spektrum wird vom Diskriminator 31 mit der Frequenz des Empfängeroszillators 28 verglichen, die über ein Aufteil- und Phasenverschiebungsgerät 35 zugeht, welches den Sinus und Cosinus dem Diskriminator 31 aufgibt, und zwar beispielsweise mit einem Viertel der vom Oszillator 28 erzeugten Frequenz. Wegen des einem Bauschen ähnlichen Charakters des Doppler-Echos kann der Gleichstromausgang des Diskriminators 31 dem Oszillator 28 nicht unmittelbar aufgegeben werden, sondern muß zuerst in das Integratorgerät 29 gehen, um ein glattes, kontinuierliches Steuersignal und hohe statische Genauigkeit zu gewährleisten.

Die Schleife 26 dient dazu, den Empfängeroszillator 28 auf einer Frequenz zu halten, die der Mittenfrequenz im

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Doppler-Spektrum vom Treiberverstärker 19 proportional ist. Der Ausgang des Empfängeroszillators 28 ist daher proportional der Geschwindigkeitskomponente in, Richtung eines gegebenen Strahles. Die Ausgangsleistung bzw. der Ausgang des Oszillators 28 kann in einem Geschwindigkeitsrechner 41 verwendet werden, um analoge oder digitale Signale zu erzeugen, die für die Flugzeugsteuerkurs- und -driftgeschwindigkeiten repräsentativ sind, wobei die den Strahlen 1, 2, 3 und 4 zugeordneten Doppler-Frequenzen addiert und subtrahiert werden. Die mathematischen Beziehungen zwischen diesen Geschwindigkeiten und den Doppler-Echos der schrägen vorderen und hinteren Strahlen sind bekannt. Desgleichen gehen die Einzelheiten eines zur Durchführung dieser Berechnungen geeigneten Computers aus der US-Patentschrift Nr. 2 981 944 hervor.

Gemäß Fig. 2 weist der Diskriminator 31 zur Bildung eines abgeglichenen Demodulators ein Paar von Sinus- und Cosinusmischern 51 bzw. 52 auf, welche den Ausgang des Empfängeroszillators 28 im Quadrat empfangen. Beide Mischer 51 und 52 erhalten vom Verstärker 19 dieselben aufeinanderfolgenden Doppler-Signale. Die Summe und die Differenz dieser Signale und der Sinus- sowie Cosinusoszillatorausgang des Gerätes 35 werden von den Mischern 51 und 52 erzeugt. Die Ausgangsleistungen bzw. Ausgänge der Mischer 51 und 52, welche um 90° phasenverschoben sind, werden jeweils durch ein Tiefpaßfilter 53 bzw. 54 geführt, um die Differenzsignale auszusondern. Dann geht der Sinusausgang des Filters 53 durch ein Hochpaßfilter 55 und der Cosinusausgang des Filters 54 durch ein Tiefpaßfilter 56, um die Signale um 90° . wieder in Phase miteinander zu verschieben.

Die phasengleichen Differenzsignale werden dann einer Multiplizierschaltung 57 aufgegeben, welche einen Gleich

stromausgang liefert, der der Differenz zwischen dem abgetrennten bzw. dividierten Ausgang des Empfängeroszillators 28 und der Spitzenleistungsfrequenz des Doppler-Eingangssignals vom Diskriminator 3*1 proportional ist. Der Ausgang der Multiplizierschaltung 57 ist positiv, wenn der Oszillatorausgang des Gerätes 35 größer als das Doppler-Eingangssignal ist, und ist negativ, wenn der Oszillatorausgang des Gerätes 35 kleiner als das Doppler-Eingangssignal ist (der Sinus eines negativen Winkels'ist negativ, während der Cosinus positiv bleibt.

Die Polarität des Fehlersignals ist so, daß der Oszillator 28 in die zur Verminderung des Fehlersignals richtige Richtung getrieben wird. Zweckmäßigerweise können die Ausgänge der Filter ^ und 56 in der Multiplizierschaltung 57 einem Summen/Differenz-Verstärker mit Summen- und Differenzausgang aufgegeben werden, welche Ausgänge gleichgerichtet und voneinander subtrahiert werden, und zwar in einer Diodenbrücke, um einen Ersatz für eine wirkliche Multiplikation zu vermitteln.

Gemäß Fig.'3 weist das MuItipiex-Integratorgerät 29 einen einzigen Gleichstromfunktionsverstärker 61 mit hohem Verstärkungsfaktor auf, welcher das Fehlersignal vom Diskriminator 31 empfängt. Vier Kondensatoren 63, 64, 65 und 66, welche dem Strahl 1 bzw. 2 bzw. 3 bzw. 4 (Fig. 1) zugeordnet sind, sind jeweils parallel zum Eingang und Ausgang des Verstärkers 61 geschaltet, so daß das Gerät 29 dem Fortschreiten der Doppler-Mittenfrequenz beim jeweiligen Strahl folgen kann. Gatter 71» 72, 73 und 74· sind in den Leitungen der Kondensatoren 63 bis 66 vorgesehen und bewerkstelligen das erforderliche Schalten.

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Das vierkanalige Taktsignal vom Taktgerät 16 (Fig./ 1) wird über einen Gattertreiber 76 zugeführt, um den Folgebetrieb der Gatter 71 bis 7^- mit dem Strahlumschalten bei der Antennenkombination 11 zu synchronisieren. Um ein Zusammenschalten zweier Kondensatoren zu irgendeiner Zeit und somit einen unerwünschten Ladungsübergang zu verhindern, werden die Gatter 71 bis 74- gleichzeitig abgeschaltet, und zwar über eine gesonderte Leitung von dem Gerät 16 her über den Gattertreiber 76» welcher die Gatter während des geschalteten Übergangs von einem Strahl zum nächsten kurz öffnet. Die Abschaltimpulse können vom Gerät 16 als Funktion des vierkanaligen Schaltausgangs erzeugt werden.

Die Gatter 71 bis 74- können jeweils beispielsweise ein UND-Gatter 81 oder dergleichen aufweisen, das ein Feldeffekttransistorgatter 82 treibt, welches wiederum den Kondensator 63 bzw. 63 bzw. 65 bzw. 66 an- und abschaltet, wie aus Fig. 4 ersichtlich. Soll beispielsweise das Gatter 82 geschlossen sein, wenn die Leitung A des vierkanaligen Taktsignals positiv ist, dann ist die Abschaltleitung G normalerweise positiv und wird kuiz negativ, um das Gatter während des Schaltens zu öffnen.

Ist im Betrieb der Strahl 1 ausgewählt, dann wird das gesamte Diskriminatorfehlersignal dem Kondensator 63 aufgegeben. Da es sich bei dem Verstärker 61 um einen Differentialverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor handelt, kann der Stromeingang zum Verstärker vernachlässigt werden. Sind die Gatter 72, 73 und 74 vollkommen offen, dann gibt der Spannungsausgang des Verstärkers 61 die Integration des Gleichstromfehlersignals vom Diskriminator 31» entsprechend dem Strahl 1, wieder. Signalisiert das Taktgerät 16 das Ende der Periode vom Strahl 1 und den Anfang der Periode des

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Strahls 2, dann wird das Gatter 71 geöffnet. Da für den Kondensator 63 dann keine Eatladungsleitung zur Verfügung steht, Mit er die Ladung, die er während der Periode des Strahles 1 akkumuliert oder "integriert" hat, und zwar durch Abnahme und Speicherung der Spannung vom Ausgang des Verstärkers 61, welcher den Oszillator 28 steuert.

. »ach Ablauf ähnlicher Perioden für die Strahlen 2, 3 und 4 kehrt die Periode für den Empfang von Energie im Strahl 1 wieder, und es findet eine weitere Ladungsakkumulierung durch den Kondensator 63 statt, wenn ein 3?ehlersignal vom Diskriminator 31 noch vorliegt. Naturgemäß liegt während der Periode des Strahls 1 kein IPehlersignal vor, wenn der Empfängeroszillator 28 bereits auf die richtige !Frequenz eingestellt worden ist.

Zwei vollständige Zyklen der Strahlen 1 bis 4 sind in Fig. 5 graphisch dargestellt. Ein vollständiger Zyklus T* dauert beispielsweise 1$3 Millisekunden (7·5 Hertz), wobei jede Abfragestrahlperiode 5P₂ 33 Millisekunden lang ist. Die Linien A, B, C und D stellen sowohl das Strahlschalten bei der Antennenkombination 11 als auch den St euer eingang zu den Gattern 71 bis 74· dar. Die durch die Linie G dargestellten Impulse haben beispielsweise jeweils eine Dauer T, von 4 Mikr ο Sekunden, um die Zwischenimpulsschaltzeit zu überdecken.

Die die Strahlen 1 bis 4 darstellenden Linien zeigen gesteigerte Wechsel der Spitzenleistungsfrequenzen in den vier Kanälen an, wenn sie einmal alle 133 Millisekunden abgefragt werden. Solche Wechsel können durch eine verstärkte Beschleunigung in Steuerkurs- und Driftrichtung hervorgerufen sein. Der Oszillator 28 erzeugt einen durch die Linie

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LO dargestellten analogen Ausgang zu der Frequenz bei jeder Strahlperiode. Dieser Ausgang wird während jedes Abschaltimpulses unterbrochen, da keine Kondensatoren angeschaltet sind.

Die Frequenznachlaufschleife, bei. welcher sowohl der Empfängeroszillator als auch der Gleichstromverstärker mit Zeitmultiplexbetrieb funktionieren, kann nicht nur bei dem erörterten Doppler-Radarsystem für Navigationszwecke Anwendung finden. Die Erfindung kann vielmehr in jedem Frequenzmeß- oder -nachlaufgerät mit mehreren aufeinanderfolgend wirksamen Eingängen verwendet werden. Naturgemäß müssen der Oszillator 28 und der Verstärker 61 von solcher Qualität sein, daß ein augenblickliches Schalten gewährleistet ist. Die Einstellgeschwindigkeit des Verstärkers 61 bzw. die Geschwindigkeit, mit welcher der Verstärker 61 von einer Spannung auf eine andere Spannung umschalten kann, kann einen bedeutsamen Faktor bei der Auswahl einer geeigneten Verstärker/Oszillator-Kombination darstellen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der Verminderung der Kosten, der Größe und des komplexen Aufbaus der Frequenznachlaufschleife. Bisher haben solche Schleifen für vier Folgesignale vier Empfängeroszillatoren, vier Gleichstromverstärker und vier Kondensatoren erfordert. Bis auf die Kondensatoren, welche allein die wirklichen Speicherelemente in der Schleife darstellen, ist mit der Erfindung diese mehrfache Anordnung derselben Bauteile vermieden. Durch die Verwendung lediglich eines Gleichstromverstärkers anstelle von mehreren ist weiterhin ein weniger ins Auge fallender Vorteil erzielt, nämlich die Beseitigung von Verstärkervorspannungsfehlern, wenn der gewünschte Ausgang vom Computer 41 die Frequenzdifferenz zwischen den Spektren in irgend zwei Strahlen oder Kanälen ist.

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Claims

Patentanspräche

ίΛJ Mehrstrahliges Doppler-Radarsystem mit einer abstrahlenden lind empfangenden Antennenkombination, einem damit verbundenen, Taktsignale zur Erzeugung einer sich wiederholenden Strahlensequenz in der Antennenkombination abgebenden Taktgerät, und einem ein zur Erzeugung einer sich wiederholenden Sequenz von Doppler-Signalen entsprechend den einzelnen Strahlen von der Antennenkombination abgestrahltes CV-Signal erzeugenden Senderoszillator, gekennzeichnet durch eine Zeitmultiplex-Frequenznachlaufschleife (26) mit .einem einzigen, frequenzvariablen Empfängeroszillator (28), welcher einen die Spitzenleistungsfrequenz in jedem Doppler-Signal angebenden Sequenzausgang (LO) liefert, mit einem die Sequenz von Doppler-Signalen und den Empfängeroszillatorausgang (LO) aufnehmenden, ein eine Frequenzdifferenz zwischen diesen beiden Eingängen angebendes Fehlerausgangssignal liefernden Diskriminator (31)» und mit einem Zeitmultiplex-Integratorgerät (29) zur Erzeugung eines Sequenzsteuersignalausgangs für den Empfängeroszillator (28), wobei das Integratorgerät (29) einen einzigen, eingangsseitig an den Ausgang des Diskriminator (31) angeschlossenen Funktionsverstärker (61), mehrere jeweils einem Strahl (1 bzw. 2 bzw. 3 bzw. 4) zugeordnete Kondensatoren (63, 64, 65, 66) und auf die Taktsignale ansprechende Schaltglieder (71, 72, 73, 74) zur Einschaltung des jeweils zugeordneten Kondensators (63 bzw. 64 bzw. 65 bzw. 66) zwischen Ein- und Ausgang des Verstärkers (61) in entsprechender, sich wiederholender Folge aufweist.
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abschalten aller Kondensatoren (63,. 64, 65, 66) vom Verstär-

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leer (61) beim Umschalten von einem auf einen anderen Kondensator.

3- System nach Anspruch^, gekennzeichnet durch mehrere parallele Bückkopplungsleitungen zwischen Ein- und Ausgang des Verstärkers (61), in welchen jeweils einer der Kondensatoren (63, 64, 65, 66) und ein Gatter (71 "bzw. 72 bzw. 73 bzw. 74) als Schaltglied vorgesehen sind.

4. System nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gatter (71, 72, 73, 74) vom zugehörigen Gattertreiber (76) durch ein Abschält signal (G) gemeinsam in Sperr zustand schaltbar sind.

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