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Gleisstromkreis, insbesondere für Gleichstrombahnen mit Chopper-gesteuerten
Triebfahrzeugen Die Erfindung betrifft einen Gleisstromkreis für in Gleisabschnitte
unterteilte Gleise im Eisenbahnwesen mit Sendeeinrichtungen an dem einen Ende und
über die Fahrschienen an diese angeschlossenen Empfangseinrichtungen am anderen
Ende Jedes Gleisabschnittes zum Feststellen von Gleisbesetzungen infolge von Achskurzschlüssen
durch die Fahrzeugachsen von die Abschnitte befahrenden Fahrzeugen, insbesondere
für Gleichstrombahnen mit Chopper-gesteuerten Triebfahrzeugen.
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Unter einem Gleisstromkreis versteht man im Eisenbahnwesen einen aus
einer Stromquelle, im folgenden als Sender oder auch Sendeeinrichtungen bezeichnet,
den Fahrschienen eines Eisenbahngleises und einem oder mehreren an diese angeschlossenen
Empfängern gebildeten Stromkreis. Stellt ein Fahrzeug auf dem Gleis durch seine
Achsen eine niederohmige Verbindung zwischen den Fahrschienen her, so gelangt kein
Strom mehr in den bzw. die Empfänger, und der Gleisabschnitt wird besetzt gemeldet.
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Bei elektrisch betriebenen Bahnen besteht die Gefahr, daß der ueber
die Schienen geleitete Triebstrom durch Beeinflussung der Gleisstromkreisempfänger
fälschlicherweise die
Freimeldung eines oder mehrerer Gleisabschnitte
bewirken kann, die tatsächlich aber besetzt sind. Um dies zu vermeiden, wählt man
die Gleisstromfrequenz so, daß sie von der Grundwelle und den mit größerer Amplitude
auftretenden Harmonischen des Triebstromes einen möglichst großen Abstand hat. So
hat man z.B. für Bahnen mit 16 2/3 Hz-Fahrstrom eine Gleisstromfrequenz von 42 Hz,
für 50 Hz-Bahnen eine Gleisstromfrequenz von 125 Hz gewählt.
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In manchen Bahnstromnetzen ist die Triebstromfrequenz nicht immer
konstant. Um trotzdem den notwendigen Abstand zwischen Triebstromfrequenz und Gleisstromfrequenz
sicherzustellen, hat man vorgeschlagen (DT-OS 2.162.989), die Gleisstromfrequenz
von der Triebstromfrequenz durch eine selbsttätig wirkende Einrichtung abhängig
zu machen. Dabei hat man auch vorgesehen, den Durchlaßbereich des Filters im Gleisstromempfänger
in Abhängigkeit von der Triebstromfrequenz zu steuern.
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Bei Gleichstrombahnen verwendet man seit einigen Jahren Triebfahrzeuge
mit einer sogen. Chopper-Steuerung. Dabei wird die Antriebsleistung der Fahrzeuge
dem Bahnstromnetz impulsweise entnommen; sie wird durch die Impulsdauer und durch
die Pulsfrequen gesteuert. In diesem Fall ist die Pulsfrequenz auch in dem Triebstrom
vorhanden, der über die Fahrschienen geleitet wird und auf die Bmpfangseinw richtungen
einwirkte Bei Chopper-gesteuerten Triebfahrzeugen ändert man die Pulsfrequenz meist
stufenweise.
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Dabei sind die einzelnen Frequenzstufen so gewählt, daß sie das ganzzahlige
Vielfache einer Grundfrequen bilden.
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Die stufenweise Änderung der Puläfrequenz ist deshalb
gewählt
worden, weil damit die bei der Fahrzeugsteuerung auftretenden verschiedenen Tri
ebstromfrequenzen festliegen und die Gleisstromfrequenz so gewählt werden kann,
daß keine Uberschneidung zwischen ihr und den verschiedenen Triebstromfrequenzen
stattfindet.
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Die Möglichkeit ist jedoch nicht auszuschließen, daß z.B.
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in einem Bahnnetz mit sehr vielen Triebfahrzeugen ein einzelnes Triebfahrzeug
infolge ungenauer Einstellung der Pulsfrequenz oder infolge eines Bauteildefektes
vom erwarteten Sollwert abweichende Frequenzen erzeugt. Es besteht dann die Gefahr,
daß bei dem bekannten Gleisstromkreis eine unzeitige Freimeldung eines Gleisabschnittes
hervorgerufen wird.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Gleisstromkreis anzugeben,
der auch bei den ungünstigen Triebstromverhältnissen, wie sie bei der Verwendung
von Chopper-gesteuerten Fahrzeugen vorkommen, eine sichere Besetztmeldung der Gleisabschnitte
bewirkt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Gleisstromkreis so einfach
auszubilden, daß er auch bei Bahnen, die keine Chopper-gesteuerten Fahrzeuge verwenden,
mit Vorteil angewendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß die Empfangseinrichtungen
jedes Gleisabschnittes mindestens zwei Filter enthalten mit Durchlaßbereichen außerhalb
derjenigen Harmonischen der Triebstromgrundfrequenz, die infolge der Größe ihrer
Amplitude in den Empfangseinrichtungen einen auf diese Frequenzen abgestimmten Empfänger
zum Ansprechen bringen können, daß die Durchlaßbereiche der Filter innerhalb beliebiger
durch diese Harmonische gebildeten Frequenzbereiche liegen und so gewählt sind,
daß sie sich nicht über-
decken, daß die Sendeeinrichtungen Frequenzen
aussenden, die den Mittenfrequenzen der Filter entsprechen und daß die Freimeldung
eines Gleisabschnittes davon abhängig gemacht ist, daß die Ausgangsspannung eines
Jeden Filters der zugehörigen Empfangseinrichtungen oberhalb eines vorgegebenen
Grenzwertes liegt. Unter Triebstromgrundfrequenz wird bei Chopper-gesteuerten Triebfahrzeugen
mit stufenweiser Änderung der Pulsfrequenz die tiefste vorkommende Pulsfrequenz
verstanden. Ist Jedoch die Differenzfrequenz zweier benachbarter Frequenzstufen
kleiner als die tiefste Pulsfrequenz, so ist diese als Triebstromgrundfrequenz anzusehen.
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Durch die DT-PS 1.158.548 ist es bereits bekannt, zwei verschiedene
Frequenzen in einem Gleisstromkreis dauernd oder alternierend anzuwenden. Hierbei
wird an dem einen Ende des Gleisstromkreises eine erste Frequenz eingespeist und
am anderen Ende empfangen. Solange dieser Empfang andauert, wird am anderen Ende
eine zweite Frequenz eingespeist und am ersten Ende des Gleisstromkreises empfangen.
Beim Empfang der zweiten Frequenz wird das Gleis freigemeldet. Hierdurch soll erreicht
werden, daß in sehr langen Gleisabschnitten stets ein sicherer Achskurzschluß erzielt
wird.
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Ferner ist es bekannt, die Gleisstromkreisfrequenz als Trägerfrequenz
für die Ubermittlung von Nachrichten in Eisenbahnsicherungsanlagen zu verwenden.
Durch die bekannten Einrichtungen wird eine Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden
Problems weder angestrebt noch erreicht.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Angabe besonders zweckmäßiger
Ausgestaltungen für in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Frequenzdiagramm eines Gleisstromkreises nach der
Erfindung, Fig-. 2 einen erfindungsgemäßen Gleisstromkreis, der mit zwei Frequenzen
betrieben wird, die ständig anliegen, und Fig. 3 einen entsprechenden Gleisstromkreis
mit Frequenzustastung.-In Fig. 1 stellt f eine Gerade dar, auf der bestimmt Frequenzen
markiert sind. In den Bezeichnungen dieser Frequenzen bedeutet-n eine ganze Zahl,
fg den Sollwert der Triebstromgrundfrequenz, f1 die Mittenfrequenz eines ersten
Filters, 1u und f10 die untere und die obere Frequenzgrenze dieses Filters und f2,
2u und f20 die entsprechenden Frequenzen eines zweiten Filters. Die erwähnten Filter
stellen die Empfangsfilter der Empfangs einrichtungen eines Gleisstromkreises dar
wie er beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist.
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Der in Fig. 2 dargestellte Gleisstromkreis besteht aus einer Erdschiene
1, einer isolierten Schiene 2 und den Sende- und Empfangseinrichtungen S bzw. E
des Gleisstromkreises. Die Sende einrichtungen enthalten Sender 3 und 4 für Frequenzen
f1 und f2, die den Mittenfrequenzen der in Fig. 1 dargestellten Frequenzbereiche
entsprechen. Diesen Sendern sind Sendefilter 5 und 6 und ein Ubertrager 7 nachgeschaltet,
der für die galvanische Trennung der Sende einrichtungen vom Gleis sorgt. 8 ist
der entsprechende Ubertrager der Empfangseinrichtungen E; ihm sind die Empfangsfilter
9 und 10 und die Verstärker 11 und 12 nachgeschaltet. 13 und 14 sind die Empfänger,
die als Schwellwertschalter ausgebildet sind.
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Sie haben die Eigenschaft, beim Uberschreiten eines Grenzwertes der
Eingangsspannung ein Ausgangssignal auf ein UND;Glied 15 zu geben. In den Empfängern
kann z.B. eine Einrichtung vorhanden sein, die nur bei einer bestimmten Phasenlage
der Eingangsspannungen ein Ansprechen zuläßt.
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Sie können auch einen Gleichrichter und ein nachgeschaltetes Relais
oder irgendeine elektronische Schaltung enthalten,
die das gleiche
Funktionsverhalten aufweist. An der Klemme 16 kann ein Ausgangssignal abgenommen
werden, das der Gleisfreimeldung dient.
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Der Gleisstromkreis wird freigemeldet, wenn alle Gleisstromfrequenzen
ordnungsgerecht empfangen werden. Wird nur eine einzige oder werden nur wenige der
Gleisstromfrequenzen empfangen, bleibt der zugehörige Gleisabschnitt besetzt gemeldet.
Zusätzlich kann eine Störungsmeldung ausgelöst werden. Die Durchlaßbereiche der
auf die Gleisstromfrequenzen abgestimmten Empfangsfilter 9 und 10 sind so gewählt,
daß sie außerhalb derjenigen Harmonischen der Triebstromgrundfrequenz liegen, die
infolge der Größe ihrer Amplitude einen Gleisstromkreisempfänger zum Ansprechen
bringen können und daß sie sich nicht überdecken.
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Aus Fig. 1 und 2 ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine Gleisfreimeldung
durch den Triebstrom nur möglich ist, wenn eine Frequenz des Triebstromes in den
Durchlaßbereich des einen Filters, eine andere in den Durchlaßbereich des anderen
Filters fällt. Zur Beurteilung der signaltechnischen Sicherheit der Schaltung nach
Fig. 2 ist daher zu überlegen, unter welchen Umständen derartige Frequenzen im Triebstrom
auftreten können.
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Zunächst sei angenommen, daß das Bahnstromnetz mit einer Wechselspannung
der Grundfrequenz fg gespeist wird. Dann liegen die den Durchlaßbereichen der Filter
9 und 10 benachbarten Harmonischen des Triebstromes z.B. bei nfg und (n+1)fg, wie
in Fig. 1 dargestellt. Eine Beeinflussung der Empfänger durch den Triebstrom ist
nicht möglich. Nimmt nun die Grundfrequenz des Bahnnetzes infolge eines Fehlers
einen Wert fa an und ist fa größer als fg, so verschieben sich die Punkte, die auf
der Geraden f in Fig. 1 die Harmonischen markieren, nach
rechts
und vergrößern ihren absoluten Abstand. Dabei kann, solange die Durchlaßbereiche
der beiden Filter 9 und 10 im Frequenzbereich zwischen zwei aufeinander folgenden
Harmonischen liegen, höchstens von einem der beiden Filter eine Harmonische des
Bahnstromes durchgelassen werden. Anders liegt der Fall, wenn fa kleiner ist als
fg; dann verschieben sich die Punkte, die in Fig. 1 die Harmonischen markieren,
nach links und verringern dabei ihren Abstand. Ein Grenzfall liegt vor, wenn die
Harmonische (n+1) fa den Wert 1u und die nächste zu berücksichtigende Harmonische
(n+2) fa den Wert f20 erreicht.
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Setzt man a) 1u = x fl fg b) f20 = 1 (n+1) fg x so folgt aus og. Grenzbedingung
c) (n+1) fa = 1u = x n fg d) (n+2) fa = 20 = 1 (n+1) fg daraus ergibt sich durch
Gleichsetzen der nach f aufgelösten Gleichungen c) und d) e) x = (n+1)
Der Wert für x eingesetzt in Gleichung c) ergibt Gleichung f)
Nimmt man an, daß die fünfte Harmonische des Triebstromes noch
einen Wert hat, der einen Empfänger zum Ansprechen bringen kann, so muß (n+2) =
5 gesetzt werden. Daraus ergibt sich zahlenmäßig x = 1,033 und f / fg = 0,775.
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Beträgt also der Unterschied zwischen n fg und £1u sowie zwischen
f20 und (n+1) fg 3,3 % (x = 1,033) und weicht die Triebstromgrundfrequenz um mehr
als 22 96 vom Sollwert nach unten ab, so ist eine Freimeldung durch den Triebstrom
zu befürchten. Muß mit derartig großen Abweichungen gerechnet werden, so kann man
den Wert xf1,033 wählen.
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Handelt es sich um eine mit Gleichstrom betriebene Bahn, auf der Chopperwgesteuerte
Triebfahrzeuge verwendet werden und ist die Pulsfrequenz der verwendeten Triebfahrzeuge
stets das ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz fg, so liegen die den Durchlaßbereichen
benachbarten Harmonischen ebenfalls bei n fg und (n+1) fg sofern die Durchlaßbereiche,
wie in Fig. 1 dargestellt, in einem gemeinsamen Frequenzbereich zwischen zwei zu
berücksichtigenden Harmonischen angeordnet sind. Weicht nun bei einem einzigen Fahrzeug
die Pulsfrequenz vom Sollwert ab, so gilt dafür das gleiche wie für die wechselstromgespeiste
Bahn, bei der die Triebstromfrequenz vom Sollwert abweicht. Erst wenn zwei Chopper-gesteuerte
Fahrzeuge ein und denselben Gleisstromkreis beeinflussen und das eine Fahrzeug im
Durchlaßbereich des einen Filters, das andere im Durchlaßbereich des anderen Filters
eine Spannung erzeugt, kann eine Freimeldung durch den Triebstrom eintreten. Will
man auch mit diesem sehr unwahrscheinlichen Fall rechnen, so muß man die Zahl der
Gleisstromfrequenzen auf drei oder mehr erhöhen.
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Eine weitere Erhöhung der signaltechnischen Sicherheit kann man erreichen,
wenn man in weiterer Ausgestaltung der Er-
findung den Gleisstromkreis
mit Frequenzmodulation betreibt und dafür sorgt, daß in jeder Periode der Modulati
ons fre quenz mindestens einmal eine Frequenz im Durchlaßbereich jedes Filters auftritt.
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Ein Beispiel dafür ist in Fig. 3 dargestellt. Für Schaltmittel und
Einrichtungen der Fig. 3, die Schaltmitteln und Einrichtungen nach Fig. 2 entsprechen,
sind die dort verwendeten Bezugszeichen beibehalten worden.
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Die Sendeeinrichtungen S bestehen aus einem Sender 17, dessen Frequenz
ständig zwischen den Werten f1 und f2 umgetastet wird. Die Empfangseinrichtungen
E enthalten eine Schaltung, die ein Ausgangssignal nur dann abgibt, wenn das Eingangssignal
abwechselnd auftritt und wieder verschwindet. Diese Schaltung kann beispielsweise
aus den Gleichrichtern 19 und 20 bestehen, die den Verstärkern 11 und 12 nachgeordnet
sind. Die Gleichrichter geben eine pulsierende Gleichspannung ab. Die Impulse treten
immer dann auf, wenn der Sender die Frequenz f1 oder f2 aussendet. Die pulsierende
Gleichspannung wird über die Wandler 21 bzw. 22 den Empfängern 23 bzw. 24 zugeführt.
Die Empfänger enthalten z.B. einen Gleichrichter, der die von den Wandlern abgegebene
Wechselspannung gleichrichtet und über ein Tiefpsßfilter einem Relais zuführt, das
seinen Anker nur anzieht, wenn das Tiefpaßfilter Impulse von genügender Amplitude
und Zeitdauer erhält. Liegt an den Filtern 9 und 10 eine Wechselspannung im Durchlaßbereich
dauernd an, so sprechen die Empfänger 23 oder 24 darauf nicht an, weil die Wandler
21 und 22 in diesem Fall keine Spannung betragen, Die Schaltung ist also gegen einen
dauernd auftretenden Triebstrom sicher. Ein Ansprechen der Empfangseinrichtungen
ist nur dann möglich, wenn auch
der Triebstrom impulsweise auftritt,
und das wäre denkbar, wenn im Triebstrom zwei Frequenzen vorhanden sind, die in
der Nähe des Durchlaßbereiches ein und desselben Filters liegen und sich in ihrer
Frequenz so wenig unterscheiden, daß eine Schwebung auftritt, deren Schwebungsfrequenz
geeignet ist, ein Signal zu liefern, auf das die Relais in den Empfängern ansprechen.
Daß dieser Fall in den beiden Filtern der Empfangsschaltung auftritt, ist aber äußerst
unwahrscheinlich und in der Praxis nicht zu erwarten.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist angenommen, daß die
Gleisstromfrequenzen innerhalb eines Frequenzbereiches zwischen zwei aufeinander
folgenden Harmonischen liegen. Es ist jedoch auch möglich, die für die Uberwachung
eines Gleisabschnittes erforderlichen Frequenzen in Frequenzbereichen unterzubringen,
die durch unterschiedliche Harmonische bestimmt sind. Als Frequenzbereich ist dabei
der Bereich zu verstehen, der durch aufeinanderfolgende Harmonische begrenzt ist,
deren Amplituden groß genug sind, um einen auf die betreffende Frequenz abgestimmten
Gleisempfänger zum Ansprechen zu bringen; er umfaßt bei Wechselstrombahnen in der
Regel die zwischen ungeradzahligen und bei Gleichstrombahnen die zwischen aufeinanderfolgenden
Harmonischen gelegenen Frequenzen.
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Der erfindungsgemäße gleisstromkreis ist auch dann als sicher anzusehen,
wenn die Gleisstromfrequenzen innerhalb von Frequenzbereichen zwischen verschiedenen
Harmonischen liegen.
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Bei ordnungsgerechtem Betriebsverhalten sämtlicher Triebfahrzeuge
kann es bei Teachtung der vorgenannten Bedingungena daß die Gleisstromfrequenzen
außerhalb der zu berücksichtigenden Harmonischen liegen und si¢h nicht überd@@@en,
zu keiner gefahrbringenden Überschneidung zwischen Gleisstrom-
frequenzen
und Triebstromfrequenzen kommen. Fällt im Störungsfall bei einem defekten Triebfahrzeug
der über die Schienen fließende Triebstrom bzw. eine seiner Harmonischen in den
Durchlaßbereich eines der Empfangsfilter der Empfangseinrichtungen, wird eine Besetztmeldung
des betreffenden Gleisabschnittes herbeigeführt. Außerdem kann eine Störungsmeldung
ausgelöst werden, die eine rasche Erkennung und damit eine schnellstmögliche Beseitigung
der Störungsursache ermöglicht.
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Der Fall, daß die im Störungsfall fließenden Triebströme gleichzeitig
sämtliche Empfangsfilter der Empfangseinrichtungen passieren, ist als äußerst unwahrscheinlich
anzusehen und kann für die Praxis unberücksichtigt bleiben. Soll auch dieser sehr
unwahrscheinliche Fall sicherungstechnisch abgedeckt sein, so ist es nicht nur erforderlich,
daß sich die Durchlaßbereiche der Empfangsfilter in den Empfangseinrichtungen nicht
überdecken, sondern daß ihre Mittenfrequenzen und damit die unteren und oberen Frequenzgrenzen
der Durchlaßbereiche um Beträge oberhalb der nächst niedrigeren zu berücksichtigenden
Harmonischen liegen, die vom Produkt aus der Stellenzahl dieser Harmonischen und
gleichgroßen Triebstromgrundfrequenzänderungen verschieden sind. Bei Beachtung dieser
zusätzlichen Bedingungen ist eine unzeitige Gleisabschnittsfreimeldung durch ein
Triebfahrzeug ausgeschlossen, dessen im Störungsfall auftretenden Triebströme oberhalb
der Triebstromsollfrequenz liegen und in verschiedenen Frequenzbereichen gelegene
Durchlaßbereiche der Empfangsfilter der Empfangseinrichtungen passieren können.
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Zweckmäßiger ist es jedoch, die Durchlaßbereiche der Filter, wie in
Fig. 1 dargestellt, in gemeinsamen Frequenzbereichen unterzubringen. Dabei ist es
möglich, für verschiedene Gleisstromkreise verschiedene Frequenzbereiche vorzusehen,
so daß keine gegenseitige Beeinflussung möglich ist.
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S Sende einrichtungen E Empfangseinrichtungen 1 Erdschiene 2 isolierte
Schiene 3,4 Sender 5,6 Filter 7,8 Ubertrager 9,10 Filter 11,12 Verstärker 13,14
Empfänger 15 UND;Glied 16 Klemme 17 Sender 19,20 Gleichrichter 21,22 Wandler 23,24
Empfänger