DE2331084A1

DE2331084A1 - Verfahren und vorrichtung zum pumpen von diodenlasern

Info

Publication number: DE2331084A1
Application number: DE2331084A
Authority: DE
Inventors: Lars-Erik Skagerlund
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1973-06-19
Publication date: 1974-01-24
Also published as: FR2237336A1; NO136123B; NL7309261A; FR2237336B1; US3898588A; GB1425987A; SE364403B; NL179325C; IT998162B; DE2331084C2; CH563069A5; NO136123C; NL179325B

Description

Aktiebolaget Bofors S-690 20 Bofors / Schweden

Verfahren und Vorrichtung zum Pumpen von Diodenlasern

Priorität; vom 3, Juli 1972 in Schweden Nr. 8744/72

Die Erfindung bezieht sich auf das Pumpen oder Pulsieren eines Diodenlasers. Wenn man einen Diodenlaser pumpt oder pulsiert, benutzt man gewöhnlich eine Energiespeichereinrichtung in der Form eines Kondensators, der wechselweise auf eine geeignete Spannung durch den Diodenlaser über einen gesteuerten Schalter aufgeladen und entladen wird, vorzugsweise einen Thyristor oder einen siliciumgesteuerten Gleichrichter. Bislang ist die Beladung des Kondensators durch die dauernde Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle über einen Serienwiderstand gewährleistet worden. Dieser VTiderstand muß jedoch ziemlich hejh sein, da sonst der Strom nach der Entladung des Kondensators durch den Thyristor oder eine äquivalente Einrichtiua«,* dte, verendet wird, bei einem hin-

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reichend hohen Niveau bleiben kam, so- daß er nicht abgeschaltet wird. Der hohe Rexhenwxderstand macht die Beladezeit des Kondensators relativ lang, welche die Impulsfolgefrequenz begrenzt. Weiterhin geht ein erheblicher Energiebetrag in diesem Rexhenwxderstand verloren.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und eines Gerätes, bei dem die vorstehend genannten Nachteile vermieden sind und weitere Vorteile erhalten werden. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die in den Ansprüchen herausgestellten Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit gekennzeichnet durch die periodische erste Speicherung eines vorbestimmten Energiebetrages in einem Transformator als magnetische Energie im wesentlichen ohne irgendwelche Verluste und dann Übertragung des vorbestimmten Energiewertes zu dem Kondensator, ebenfalls ohne irgendwelche wesentlichen Verluste, und durch die Entladung des Kondensators durch den Diodenlaser nach einer oder mehreren Perioden dadurch, daß man den gesteuerten Schalter zum Schließen bringt, während gleichzeitig Energie im Transformator während der folgenden Periode gespeichert wird. Die Speicherenergie in dem Transformator wird vorzugsweise dadurch bewerkstelligt, daß man elektrisch eine Primärwicklung des Transformators an eine Gleichspannungsquelle während eines vorbestimmten Zeitintervalles anschließt, während man

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den Transformator in einem unbelasteten Zustand hält. Die in dem Transformator gespeicherte Energie wird auf den Kondensator vorzugsweise dadurch übertragen, daß man elektrisch eine zweite Wicklung des Transformators an den Kondensator während eines Zeitintervalles anschließt, während der die Primärwicklung des Transformators nicht elektrisch mit der Gleichspannungsquelle in Verbindung steht. In geeigneter Weise wird die Energie über eine dauernd angeschlossene Kupplung mit einer Gleichrieht- oder unilateralen Leitungseinrichtung übertragen, die garantiert, daß der Transformator unbelastet ist, wenn die Primärwicklung mit der Gleichspannungsquelle in Verbindung steht. Die letztgenannte Verbindung ist in geeigneter Weise mittels einer impulsgesteuerten Schalteinrichtung, vorzugsweise eines Transistors geschaffen, der mit Steuerimpulsen von einem Steuerimpulsgenerator gespeist ist. In vorteilhafter Weise wird dieser Generator auch zur Speisung von Steuerimpulsen in einem synchronisierten Weg zum Thyristor, z. B. des Entladepfades des Kondensators verwendet. Auf diese Weise wird es möglich, ein und denselben Steuerimpulszug zu verwenden, um gleichzeitig den Transistor in seinen Leitungszustand für die Verbindung der Primär-

zu schalten wicklung zur Gleichspannungsquelle/und zum öffnen des Transistors zur Entladung des Kondensators durch den Diodenlaser.

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Der zuerst in dem Transformator gespeicherte Energiebetrag, der dann zum Kondensator während jeder Periode übertragen wird, kann leicht gesteuert werden, wenn man das erfindungsgemäße Verfahren benutzt, und zwar durch Verändern des Zeitintervalles, währenddessen die Primärwicklung an der Gleichspannungsquelle liegt oder - mit anderen Worten - der Dauer der Steuerimpulse, die zu dem Transistor geführt werden, um ihn in seinen leitenden Zustand zu bringen. Vorausgesetzt, daß der Transformator nicht in die Sättigung gebracht worden ist, steigt somit der Strom durch die Primärwicklung des Transformators linear mit der Zeit an, und da die magnetische Energie des Transformators proportional dem Quadrat des Stromes ist, wird auch die magnetische Energie proportional dem Quadrat der Breite der Steuerimpulse sein. Offensichtlich ist es auch möglich, die in den Transformator gespeicherte magnetische Energie dadurch zu steuern, daß man die Gleichspannung variiert, da die Neigung der Stromkurve durch die Relation der Gleichspannung zur Induktanz der Primärwicklung bestimmt ist.

Die erfxndungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des vorgenannten Verfahrens weist eien Kondensator auf, an dem der Diodenlaser über den gesteuerten Schalter angeschlossen ist, sowie eine Einrichtung zur wechsel-

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weisen Ladung des Kondensators auf ein spezifisches Energieniveau von einer Gleichspannungsquelle und Entladen des Kondensators durch den Diodenlaser dadurch, daß man den gesteuerten Schalter zeitweilig zum Schließen bringt, nachdem das Energieniveau in dem Kondensator erreicht worden ist. Im wesentlichen ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Transformator aufweist mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung über einen impulsgesteuerten Schalter mit der Gleichspannungsquelle und die Sekundärwicklung über eine gleichrichtende oder unilateaLe Leitungseinrichtung mit dem Kondensator verbunden ist, wobei die Leitungseinrichtung so angekuppelt ist, daß der Transformator entladen wird, wenn der impulsgesteuerte Schalter für die Verbindung der Primärwicklung an die Gleichspannungsquelle geschlossen ist, ein Steuerimpulsgenerator zur Speisung von Steuerimpulsen zu der impulsgesteuerten Schalteinrichtung vorgesehen ist, so daß er periodisch während eines spezifischen Zeitintervalles geschlossen ist, und eine Entladesteuereinrichtung, um den gesteuerten Schalter in dem Kondensatorentladepfad, der den Diodenlaser einschließt, zeitweilig schließen zu lassen, während der gesteuerte Schalter geschlossen ist. Vorzügsweise ist der Steuerimpulsgenerator so angeordnet, daß er auch die

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Entladesteuereinrichtung darstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist die impulsgesteuerte Schalteinrichtung ein Transistor, wobei die Vorrichtung durch Rückkopplung vom Transformator selbst-oszillierend ist. Der gesteuerte Impulsgenerator weist dann eine Einrichtung für die Transistorbasiszuführung und eine Rückkopplungswicklung auf dem Transformator auf , und die Wicklung ist an der Basis des Transistors angeschlossen. Vorzugsweise wird die Rückkopplungswicklung auch als Entladesteuereinrichtung benutzt, zusammen mit einer Einrichtung zur übertragung der Steuerimpulse von der Wicklung zu dem gesteuerten Schalter in dem Kondensatorentladepfad.

Vorzugsweise wird ein Thyristor als gesteuerter Schalter in dem Kondensatorentladepfad verwendet. Jedoch können auch andere Arten von gesteuerten Schaltern, wie z. B. ein Lawinentransistor verwendet werden. Insbesondere bei der Benutzung eines Thyristors kann es von Vorteil sein, eine in Reihe'liegende pnpn-Diode in der übertragungseinrichtung zur Beschleunigung der Thyristorsteuerimpulse einzuschließen. In gewissen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, in der übertragungseinrichtung eine Einrichtung zum Hemmen oder Entgegenwirken einer vorbestimmten Anzahl von Steuerimpulsen zwischen jeder Kondensatorentladung einzuschließen, d. h. der Thyristor kann beispielsweise nur nach einer vorbestarnten Anzahl von Energiespeicherperioden

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eingeschaltet werden. Z. B. kann eine so.lche Einrichtung eine Impulszähleinrichtung sein. Ferner kann die Übertragungseinrichtung eine Toreinrichtung einschließen, die getriggert wird, wenn die Kondensatorspannung ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat. Die letztgenannten Lösungen gestatten beide, daß beispielsweise der Thyristor bei einer äußerst spezifischen oder speziellen Phasenstellung eingeschaltet wird , wenn ein selbstoszillierender Transistor-Transformator-Schaltkreis verwendet wird. Offensichtlich können die pnpn-Diode, die Zähleinrichtung und die Toreinrichtung verwendet werden, wenn die Vorrichtung nicht ebenso selbstoszillierend ist. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt ein Schaltungsschema einer bevorzugten Vorrichtung zum Pumpen eines Diodenlasers gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2. ist ein Impulsdiagramm zum besseren Verständnis der Betriebsart der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

In der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist ein Diodenlaser 1 mit einem Kondensator 3 über einen Thyristor 5 und einen kleinen Widerstand 7, wie bekannt, verbunden, wobei der Widerstand Teil einer nicht dargestellten SclaLtung ist,

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um den Pumpstrom zu überwachen. Der Kondensator 3 wird von einer Gleichspannungsquelle beladen, von der nur die Anschlüsse 9 und 11 gezeigt sind, und zwar über einen selbstoszillierenden Schaltkreis mit einem Transformator 13, einem Transistor 15, einem Widerstand 17 für die Transistorbasisversorgung, einem Emitterwiderstand 18, einer ersten Diode 19, einem Kondensator 21 und einer zweiten Diode 23. Eine Primärwicklung 25 des Transformators liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 15 und einem Anschluß 9 der Gleichspannungsquelle. Eine Rückkoppelwindung 27 des Transformators liegt an der Basis des Transistors über die Diode 19 und an dem anderen, Anschluß 11 der Gleichspannungsquelle. Der Kondensator ist an einer Sekundärwicklung 29 des Transformators über die Diode 23 verbunden.Die Wicklungsrichtungen der getrennten Transformatorwicklungen sind durch Punkte an den Wicklungsenden markiert, die einander entsprechen.

Der Thyristor 5 wird mit Steuerimpulsen von der Wicklung 27 über eine Differenzierschaltung versorgt, die einen Kondensator 31 und einen Widerstand 33 aufweist, und über eine pnpn-Diode 35, die in Reihe liegt.

Die Funktion der VoirLchtung, die in einer idealisierten Form durch das Impulsdiagramm der Fig. 2 dargestellt ist, ist folgende: Zur Zeit t₁ beginnt der Transistor 15 zu leiten und verbindet somit die Primärwicklung 25 mit der

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Gleichspannungsquelle über den Emitterwiderstand 18. Angesichts der Tatsache, daß die Diode 23 in ihrer umgekehrten Richtung relativ zu Spannung angeschlossen ist, die in der Sekundärwicklung hierdurch induziert ist, wird der Transformator entlastet, der Strom I_p durch die Primärwicklung 25, den Transistor 15, der gesättigt ist, und den Widerstand 18 steigt im wesentlichen linear mit der Zeit an. Die Steigung der Stromkurve wird durch das Verhältnis V zwfechen der Gleichspannung V und der Primärwicklung-

induktanz L bestimmt, die als konstant vorausgesetzt wird.

Fdglich steigt auch die Spannung U über den Emitterwiderstand 18 linear mit der Zeit an. Der Widerstand 18 ist jedoch so klein, daß die Spannung über der Primärwicklung als konstant angesehen werden kann. Die Spannung U , die zur Rückkopplungswicklung 27 transformiert wird, kann somit auch als im wesentlichen konstant angesehen werden, wobei die Spannung ein gewisser Bruchteil der Spannung über der Primärwicklung ist.

Die Spannung an der Basis des Transistors 15 folgt im wesentlichen der Emitterspannung U_E und ist für den Beginn kleiner als ü_T, weshalb die Diode 19 blockiert ist.

Zur Zeit t_ ist die Spannung an der Transistorbasis gleich Ü_T, und die Diode 19 beginnt zu leiten. Fdglich hat der Transistor 19 weiter keine ausreichende Basisversorgung für die Sättigung, weshalb Umkehrung auftritt, d. h. der

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Transistor schaltet in seinen nicht leitenden Zustand. In dieser Situation ist die magnetische Energie des Transformators W = 1 L 12, wobei I der Spitzenwert

^m 2 P P
des Stromes durch die Primärwicklung ist.

Bei der Umkehrung oder beim Wechsel wird der magnetisierende Strom Ig in der Sekundärwicklung 29 des Transformators erhalten, wobei der Strom dem Kondensator 3 über die Diode 23 zugeführt wird. Wenn man voraussetzt, daß die Schaltung verlustfrei ist, steigt die Kondensatorspannung sinusförmig an, während gleichzeitig der Strom I sinusförmig abfällt, bis die magnetische Energie aus dem Transformator herausgepumpt "worden ist. Dies ist zur Zeit t₃ geschehen, wobei die Energie in dem Kondensator W_ = 1 C U dann gleich

^C 2 ^C der magnetischen Energie W ist, die vorher im Tranifc>rmator

gespeichert ist. C ist die Kapazität des Kondensators und U

C ist der Spitzenwert der Kondensatorspannung.

Somit ist die Diode 23 zwischen den Zeiten t₂ und t₃ leitend, und deshalb fjlgt die Spannung über der Sekundärwicklung 29 im wesentlichen der Kondensator spannung LL,, Die Spannung LL,, die zur Rückkopplungswicklung 27 übertrageiyist, wechselt folglich die Polarität zur Zeit t_und ist ein gewisser

^ ist Bruchteil der Spannung LL,. Gleichzeitig/die Diode 19 leitend, und der Transistor wird in seinem nicht leitenden Zustand gehalten.

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Zur Zeit t-, wird I_c Null, und die Diode 23 blockiert.

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Folglich werden die Spannung» über der Sekundärwicklung 29 und der Rückkopplungswicklung 27 Null, die Diode 19 ist blockiert und ein weiterer Wechsel oder eine andere Umkehrung wird dadurch erhalten, daß der Transistor 15 wieder in seinen leitenden Zustand geschaltet wird. Der Kondensator 21 mit einer relativ niedrigen Impedanz verhindert, daß die Transformatorleck age n induktanz eine schädliche Oszillation hervorruft.

Zur Zfc-t t ist somit die Primärwicklung 25 wieder an der Gleichspannungsquelle angeschlossen, die - wie beschrieben - einen Spannungsimpuls über der Rückkopplungswicklung 27 finden läßt. Dieser Impuls wird zur Differenzierschaltung übertragen, die aus dem Kondensator 31 und dem Widerstand 33 besteht. Der kurze erhaltene Impuls, welcher der Spannungsimpulsanstiegskante entspricht, wird durch die pnpn-Diode 35 beschleunigt. Danach schaltet der Impuls den Thyristor 5 ein, wodurch der Kondensator durch den Diodenlaser 1 entladen wird. Folglich tritt der Pumpstromimpuls I_{D unmittelbar} ⁿ*ch der Zeit t₃ auf, während gleichzeitig die Energie wieder in dem Transformator gespeichert zu werden beginnt. Hierbei ist der Transformator^sekundärstromkreis in Ruhe, was zweifellos bedeutet, daß der Thyristor abgeschaltet ist, wenn der Entladestrom unter einen bestimmten Wert abfällt.

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Wie erwähnt, bestimmten die Spannungen über dem Emitterwiderstand 18 und der Rückkopplungswicklung 27 den Betrag, zu welchem der Strom I durch die Primärwicklung ansteigen kann, bevor die Umkehrung eintritt. Dies bedeutet, daß der leichteste Weg der Steuerung von I_p und folglich des Pumpstromes durch den Diodenlaser den Emitterwiderstand variieren kann. Deshalb sollte der Emitterwiderstand variabel sein. Als Alternative kann die Gleichspannung zu dem gleichen Zweck variiert werden. In beiden Fällen wird auctfdie Pumpfrequenz beeinflußt bzw. verändert.

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Claims

Patentansprüche

( 1. !Verfahren zum Pumpen eines Diodenlasers durch wechselweise Beladung und Entladung eines Kondensators durch den Diodenlaser, gekennzeichnet durch das periodische erste Speichern eines speziellen Energiebetrages in einem Transformator in der Form magnetischer Energie und dann Übertragung des speziellen Energiebetrages zum Kondensator und durch Entladen des Kondensators durch den Diodenlaser nach einer vorbestimmten Anzahl von Perioden, während gleichzeitig Energie im Transformator während der folgenden Periode gespeichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1_f gekennzeichnet durch das Speichern von Energie in dem Transformator durch elektrisches Verbinden einer Primärwicklung des Transformators an eine GMchspannungsquelle während eines vorbestimmten Zeitintervalles, während der Transformator in einem unbelasteten Zustand gehalten ist.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Übertragung der in den/ Transformator gespeicherten Energie zum Kondensator durch elektrisches Verbinden einer Sekundärwicklung des Transformators während dnes Zeitintervalles, währenddessen die Prirnärentwicklung des Transformators nicht elektrisch mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Übertragen der Energie von dem Transformator zum Kondensator über eine Kupplung, die dauernd zwischen der Sekundärwicklung und dem Kondensator verbunden ist, wobei die Kupplung im wesentlichen verlustfrei ist und eine unilaterale Leitungseinrichtung aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch das Anschließen der Primärwicklung des Transformators an die Gleichspannungsquelle mittels einer impulsgesteuerten Schalteinrichtung, die mit Steuerimpulsen von einem Steuerimpulsgenerator versorgt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Versorgung eines gesteuerten Schalters des Kondensator-

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entladepfades mit Steuerimpulsen von dem Steuerimpulsgenerator zur Entladung des Kondensators durch den Diodenlaser.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Steuerung des Energiebetrages, der in den Transformator und folglich in dem Kondensator gespeichert ist, durch Verändern der Länge der Steuerimpulse, die zu der impulsgesteuerten Schalteinrichtung geführt werden.
8. Vorrichtung zum Pumpen eines Diodenlasers nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einem Kondensator, wobei der Diodenlaser mit dem Kondensator über einen gesteuerten Schalter verbunden ist, und mit einer Einrichtung zur wechselwei,sen Beladung des Kondensators von einer Gleichspannungsquelle auf ein spezielles Energieniveau und Entladung des Kondensators durch den Diodenlaser durch zeitweises Schließen des gesteuerten Schalters, wenn das spezielle Energieniveau des Kondensators erreicht worderjiist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Transformator aufweist mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, die Primärwicklung mit der Gleichspannungsquelle über eine impulsgesteuerte Schalteinrichtung verbunden ist und die Sekundärwicklung mit dem Kondensator über eine Gleichrichtereinrichtung vejDund'en ist, die so angekoppelt ist, daß der Transformator unbelastet ist, wenn die impulsgesteuerte Schalteinrichtung

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geschlossen ist, ein Steuerimpulsgenerator für die Zuführung von Steuerimpulsen zu der impulsgesteuerten Schalteinrichtung vorgesehen ist der Art, daß er periodisch während eines speziellen Zeitintervalles geschlossen ist, und daß eine Entladesteuereinrichtung periodisch den gesteuerten Schalter des Kondensatorentladepfades zeitweilig schließen läßt, während die gesteuerte Schaltereinrichtung geschlossen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerimpulsgenerator auch die Entladesteuereinrichtung aufweist,
10. Vorrichtung nach Ansprich 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsgesteuerte Sclalteinrichtung einen Transistor aufweist und der Steuerimpulsgenerator für die Zuführung von Steuerimpulsen zur Basis des Transistors vorgesehen ist.
11. Vonichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie selbst-oszillierend ist und der Steuerimpulsgenerator eine Einrichtung zur Schaffung einer Transistorbasisversorgung und einen Rückkopplungsschaltkreis vom Transformator zur Basis des Transistors aufweist.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung zwischen dem Kollektor des Transistors und dem einen Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist, daß ein Emitterwiderstand zwischen dem Emitter des Transistors und dem anderen Anschluß der Spannungsquelle angeschlossen ist und daß der Rückkopplungsschaltkreis eine Rückkopplungswicklung des Transformators aufweist, die mit der Basis des Transistors über eine Diode und mit dem anderen Anschluß der Spannungs quelle verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator zwischen der Basis des Transistors und dem anderen Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladesteuereinrichtung die Rückkopplungswicklung und die Übertragungseinrichtung für die Steuerimpulse von der Rückkopplungswicklung zu dem gesteuerten Schalter des Entladepfades des Kondensators aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Schalter ein Thyristor ist.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung eine in Reihe geschaltete pnpn-Diode 2ur t?*ScM au η ι'^,ιc der

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Thyristorsteuerimpulse ist.