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Verfahren und Schaltungsanordnung zum überspannungsschutz von Transistoren
von Betriebs schaltungen eines Telefonapparates Zusatz zu P 24 ii 377.7 Das Hauptpatent
... (Patentanmeldung P 24 11 377.7) betrifft die Betriebss-chaltung eines Telefonapparates,bei
dem eine elektronische Steuerschaltung entsprechend den über eine Wähltastatur eingegebenen
Ziffern die Wählimpulsfolge als dem Nummernschalterimpulskontakt entsprechende Impulse
elektronisch erzeugt, bei dem ferner die ankommende Amtsleitung über den Arbeitskontakt
des Gabelumschalters einer Gleichrichterbrücke zugeführt ist, an deren positivem
Ausgang der eine Anschluß des bekannten Sprechkreises aus Gabelübertrager, Mikrophon,
Fernhörer und Leitungsnachbildung angeschlossen ist, bei dem ferner der Steuerschaltung
eine Ladeschaltung zur Erzeugung ihrer Betriebs spannung zugeordnet ist und bei
dem der mechanische Nummernschalterarbeitskontakt und der mechanische Nummernschalterimpulskontakt
durch einen ersten und einen zweiten elektronischen Schalter ersetzt sind. Beim
Hauptpatent ist unter Schutz gestellt, daß der andere Anschluß des Sprechkreises
mit dem ersten elektronischen Schalter und einer Parallelschaltung aus einem Kondensator
und einer Begrenzerdiode in Serie geschaltet ist und zum negativen Anschluß der
Gleichrichterbrücke führt, daß der zweite elektronische Schalter der
Serienschaltung
aus Sprechkreis und erstem elektronischen scnd,-ter parallelgeschaltet ist und daß
die Spannung des Kondensators als Betriebs spannung der Steuerschaltung dient.
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Eine erste Ausgestaltung des Hauptpatents besteht darin, daß der erste
elektronische Schalter zwischen Sprechkreis und Kondensator als ein derart beschalteter
npn-Transistor angeordnet ist, daß dessen Kollektor am anderen Anschluß des Sprechkreises
sowie dessen Emitter am positiven Pol des Kondensators angeschlossen ist und dessen
Basis einerseits über einen Widerstand mit dem einen Anschluß des Sprechkreises
und andererseits mit dem Kollektor eines ersten npn-Zusatztransistors verbunden
ist, dessen Emitter am negativen Pol des Kondensators und dessen Basis über einen
Spannungsteiler am Nummernschalterarbeitskontaktausgang der Steuerschaltung liegt.
Hierbei kann der npn-Transistor durch Zuschalten eines weiteren npn-Transistors
nach Art einer Darlington-Schaltung ergänzt werden.
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Diese erste Ausgestaltung des Hauptpatentes ist ferner so ausgebildet,
daß als zweiter elektronischer Schalter ein derart beschalteter erster pnp--Transistor
dient, daß dessen Emitter-Kollektor-Strecke vom mit dem positiven Pol der Gleichrichterbrücke
verbundenen Anschluß des Sprechkreises zum positiven Pol des Kondensators führt
und daß dessen Basis über die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten npn-Zusatztransistors
mit dem negativen Pol der Gleichrichterbrücke und über einen Widerstand mit dem
positiven Pol der Gleichrichterbrücke verbunden ist, daß die Basis des zweiten npn-Zusatztransistors
über einen Widerstand am positiven Pol der Gleichrichterbrücke liegt und einerseits
vom Kollektor eines dritten npn-Zusatztransistors, dessen Emitter am negativen Pol
der Gleichrichterbrücke und dessen Basis über einen Spannungsteiler am Nuinmernschalterimpulskontaktausgang
der Steuerschaltung liegt, und andererseits vor Kollektor eines vierten npn-Zusatztransistors
gesteuert ist, dessen Basis über einen Widerstand am Kollektor des ersten npn-Zusatztransistors
und dessen Emitter am negativen Pol des Kondensators liegt. Hierbei kann
dem
ersten pnp-Transistor ein weiterer pnp-Transistor nach Art einer Darlington-Schaltung
zugeordnet sein.
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Eine zweite Ausgestaltung des Hauptpatents besteht darin, daß der
erste elektronische Schalter zwischen Sprechkreis und Kondensator als ein derart
beschaiteter zweiter pnp-Transistor angeordnet ist, daß dessen Emitter zum anderen
Anschluß des Sprechkreises sowie über einen Widerstand zu seiner Basis führt, daß
dessen Kollektor am positiven Pol des Kondensators liegt und daß dessen Basis über
einen weiteren Widerstand am Ausgang eines Verstärkers liegt, dessen Eingangsstufe
aus einem ersten npn-Zusatztransistor besteht, dessen Basis über einen Spannungsteiler
am Nummernschalterarbeitskontaktausgang der Steuerschaltung liegt, dessen Emitter
am negativen Pol des Kondensators und dessen Kollektor über einen Widerstand am
positiven Pol der Gleichrichterbrükke liegt und den npn-Transistor der Ausgangs
stufe an seiner Basis steuert, dessen Emitter am negativen Pol des Kondensators
liegt.
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Der Verstärker kann hierbei vorteilhafterweise so ausgebildet sein,
daß zwischen die Eingangsstufe und die Ausgangsstufe des Verstärkers ein in Emitterfolgerschaltung
betriebener weiterer npn-Zusatztransistor geschaltet ist, dessen Kollektor über
die Kathoden-Anoden-Strecke einer ersten Diode zum positiven Pol des Kondensators
führt und dessen Emitter zusammen mit der Basis des Transistors der Ausgangs stufe
über einen Widerstand am negativen Pol des Kondensators liegt.
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Die zweite Ausgestaltung des Hauptpatents besteht ferner darin, daß
als zweiter elektronischer Schalter ein derart beschalteter erster pnp-Transistor
dient, daß dessen Emitter-Kollektor-Strecke vom mit dem positiven Pol der Gleichrichterbrücke
verbundenen Anschluß des Sprechkreises zum positiven Pol des Kondensators führt
und daß dessen Basis über die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten npn-Zusatztransistors
mit dem negativen Pol der Gleichrichterbrücke und über einen Widerstand mit dem
positiven Pol der Gleichrichterbrücke
verbunden ist, daß die Basis
des zweiten npn-Zusatztransistors über einen Widerstand am positiven Pol der Gleichrichterbrücke
liegt und vom Kollektor eines dritten npn-Zusatztransistors gesteuert ist, dessen
Emitter am negativen Pol der Gleichrichterbrücke liegt und dessen Basis einerseits
über einen Spannungsteiler vom Nummernschaiterimpulskontaktausgang der Steuerschaltung
und andererseits über einen Widerstand vom Kollektor des ersten npn-Zusatztransistors
gesteuert ist.
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Die Betriebsschaltungen des Hauptpatentes können noch dadurch ergänzt
werden, daß die Anoden-Kathoden-Strecke einer zweiten Diode von dem mit dem Kondensator
verbundenen Anschluß des Sprechkreises zu dem mit der Gleichrichterbrücke verbundenen
Anschluß führt oder daß dem Eingang der Gleichrichterbrücke eine symmetri.-sche
Begrenzerdiode und/oder deren Ausgang eine weitere Begrenzerdiode parallelgeschaltet
ist oder daß die Gleichrichterbrücke ganz oder teilweise aus Z-Dioden besteht.
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Zur Erläuterung der Problemstellung der Erfindung ist in Fig. 1 der
Zeichnung ein Prinzipschaltbild der zum Verständnis wesentlichen Teile der Betriebs
schaltung nach dem Hauptpatent gezeigt.
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In Fig. 1 wird die ankommende Amtsleitung a, b über den nichtbezeichneten
Widerstand, der den Gabelumschalter symbolisieren soll, an die Gleichrichterbrücke
GL gelegt, wobei zum Schutz diese beiden Anschlüsse der Gleichrichterbrücke mit
der aus zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Z-Dioden bestehenden Begrenzerdiode
ZS beschaltet sind.
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Auf der Gleichspannungsseite der Gleichrichterbrücke GL sind an deren
negativem Pol - in Fig. 1 die elektronische Steuerschaltung S und der Kondensator
C angeschlossen.
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In Fig. 1 liegt der den Nummernschalterabeitskontakt nachbildende
erste elektronische Schalter V zwischen dem Kondensator C und dem Sprechkreis SK,
während der den Nummernschalterimpulskontakt nachbildende zweite elektronische Schalter
U der Serienschaltung
aus Sprechkreis SK und elektronischem Schalter
V parallelgeschaltet ist.
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In Fig. 1 dient die Spannung des Kondensators C als Versorgungsspannung
der elektronischen Steuerschaltung S, deren Ausgänge nsi, nsa durch entsprechende
gestrichelte Linien mit den beiden elektronischen Schaltern U, V verbunden sind.
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Die Betriebsschaltungen nach dem Hauptpatent haben sich in der Praxis
bewährt. Es zeigte sich jedoch bei deren Einsatz, daß der induktive Innenwiderstand
der Vermittlungsstelle, an den der Telefonapparat über die Amts leitung a, b angeschlossen
ist, am Ausgang der Gleichrichterbrücke GL beim periodischen Arbeiten des elektronischen
Nummernschalterimpulskontaktes U (Fig. 1) den in Fig. 2 gezeigten Spannungsverlauf
hervorruft. Während der Dauer t ist der elektronische ummernschalterimpulskontakt
U p geschlossen. Beim. Wählvorgäng fließt somit innerhalb der Schließzeit tp Schleifenstrom.
T ist dabei die Periodendauer des Wählimpulses, die im allgemeinen 100 ms beträgt.
Während der Schließzeit tp ist die Spannung am Ausgang der Gleichrichterbrücke GL
gering und hauptsächlich durch die am Kondensator C bzw. an der elektronischen Steuerschaltung
S auftretende Spannung bestimmt.
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Am Ende der Schließzeit tp steigt jedoch die Spannung am Brückenausgang
bis auf den Wert U an, der durch die Abbruchspannung der symmetrischen Begrenzerdiode
ZS und/oder durch evtl. den Schaltstrecken des elektronischen Nummernschalterimpulskontaktes
U parallelgeschaltete RC-Glieder bestimmt ist. Anschließend klingt die Spannung
auf den Wert UA ab, der den Leerlaufspannungswert der in der Vermittlungsstelle
angeordneten sogenannten Zentralbatterie darstellt.
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Die in den Schaltstrecken des elektronischen Nummernschalterimpulskontaktes
angeordneten Halbleiterbauelemente müssen daher für die Spannung Uz oder für höhere
Spannungen hinsichtlich ihrer zulässigen Grenzwerte ausgelegt sein, d. h. diese
Halbleiterbauelemente müssen im stromlosen Zustand einen mindestens
der
Spannung Uz entsprechenden Sperrspannungswert aufweisen.
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Zusätzlich zu den durch die Wirkung des induktiven Innenwiderstands
der Vermittlungsstelle hervorgerufenen Induktionsspannungen treten außerdem auch
Spannungsspitzen zwischen den beiden Adern der Amtsleitung a, b und somit am Gleichrichterausgang
auf, die durch induktive oder kapazitive Xoppelungen in Kabelsträngen und auch durch
Entladevorgänge auf Leitungen (beispielsweise durch Blitzeinschlag) bewirkt werden.
Tritt eine solche Spannungsspitze auf, so wird sie durch die symmetrische Begrenzerdiode
ZS in ihrer Amplitude zwar begrenzt, diese Begrenzung schützt aber die Schaltstrecken
des elektronischen Nummernschalterimpulskontaktes nurr wenn sie im gesperrten Zustand,
also stromlos sind. Sind die Schaltstrecken aber gerade leitend, so fließt der zu
schaltende Strom bei gleichzeitigem Anliegen einer beträchtlichen, durch die Spannung
Uz vorgegebenen Spannung, Transistoren können einer solchen Beanspruchung nur bedingt
wegen der Gefahr des sogenannten zweiten Durchbruches (second breakdown) standhalten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum vollständigen
Schutz der Schaltstrecken der ersten und zweiten elektronischen Schalter nach dem
Hauptpatent anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf,-daß sie den normalen, nicht durch
überspannungen gestörten Betrieb des Telefonapparates nicht beeinträchtigt.
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Die Erfindung wird nun anhand von in den weiteren Figuren 3 bis 6
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 3 zeigt die Betriebsschaltung eines Telefonapparates nach Fig.
1 des Hauptpatentes, Fig. 4 zeigt die Betriebs schaltung eines Telefonapparates
nach Fig. 2 des Hauptpatentes,
Fig.5 zeigt eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung bei einer Schaltunysanordnung nach
Fig 3 und Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung- zur Durchführuny des Verfahrens
der Erfindung bei einer Schaltungsanordnung nach Fig. 4.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zunächst anhand der
Fig.3 und 4 die im Hanptpatent beschriebenen Betriebsschaltungen eines Telefonapparates
erläutert.
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In den Fig. 3 und 4 sind außer der Betriebsschaltung jeweils noch
die für die Funktion des Telefonapparates üblichen Bauelemente gezeigt, nämlich
der Gabeluetschalter HU, der Wecker W und der dem Wecker in Serie geschaltete Kondensator
CW. Die Serienschaltung aus Wecker und Weckerkondensator ist bekanntlich bei unbenutztem
Telefonapparat über den Ruhekontakt des Gabelurnschalters HU mit der Amtsieitmig
a, b verbunden.
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Ferner enthalten die Fig. 3 und 4 den Sprechkreis 5K, der aus dem,
Gabelübertrager GU, dem Mikrophon M, dem Gehörschutzgleichrichter GR, dem Fernhörer
F und der Leitungsnachbildung LN besteht, die üblicherweise aus. einem Parallel-RC-Glied
aufgebaut ist, Ferner ist in den Fig. 3 und 4 die Steuerschaltung S gezeigt, die
die elektronische Steuerschaltung, die Wähltastatur und die von außen an die eleKtronische
Steuerschaltung anzuschaltenden und für deren-Betrieb erforderlichen Teilschaltungen
enthalt.
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Die Fig.3 und 4 unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der Ausbildung
des elektronischen Nummernschalterarbeitskontaktes und hinsichtlich der Ansteuerung
des elektronischen Nummernschalterimpulskontaktes voneinander. Die Zählung der Transistoren
ist der Übersichtlichkeit halber dieselbe wie beim zweiten Hauptpatent.
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In Fig.S liegt der elektronische Nunmernschalterarbeitskontakt zwischen
dem Sprechkreis SX und dem Xondensator C und besteht aus dem npn-Transistor T1',
dem Widerstand R1', dem ersten npn-Zusatztransistor T2' und dem Spannungsteiler
aus den Widerständen R2', R3'. Diese Bauelemente sind untereinander so angeordnet,
daß die Basis des npn-Transistors T1' einerseits über den Widerstand R1' mit dem
positiven Pol der Gleichrichterbrücke GL-und somit auch mit dem an diesem Pol angeschlossenen
einen Anschluß des Sprechkreises liegt und andererseits mit dem Kollektor des ersten
npn-Zusatztransistors T2' verbunden ist.
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Der Emitter des ersten npn-Zusatztransistors T2'-liegt am negativen
Pol der Gleichrichterbruwske GL, während dessen Basis über den erwähnten Spannungsteiler
mit dem Nummernschalterarbeitskontaktausgang 2 der Steuerschaltung -s verbunden
ist.
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Falls erforderlich, kann der npn-Transistor T1' in bekannter Weise
nach Art einer Darlington-Schaltung durch Zuschalten des weiteren npn-Transistors
Tell, wie in Fig.3gezeigt, ergänze werden.
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Der elektronische Nummernschalterimpulskontakt besteht in Fig. 3 aus
dem ersten pnp-Transistor T3', dessen Emitter-Kollektor-Strecke zwischen dem positiven
Pol der Gleichrichterbrücke GL und dem positiven Pol der Betriebs spannung UB der
Steuerschaltung S, also auch dem positiven Pol des Kondensators C, angeordnet ist.
Die Basis dieses Transistors wird vom Kollektor des zweiten npn-Zusatztransistors
T4' gesteuert, der über den Widerstand R4' am positiven Pol der Gleichrichterbrücke
GL liegt. Der Emitter dieses Transistors ist mit dem negativen Pol der Gleichrichterbrücke
und mit dem negativen Pol des Kondensators C verbunden, d.h. also rait dem Schaltungsnullpunkt
für die gesamte elektronische Anordnung. Der erste pnp-Transistor T3'kann durch
einen weiteren-pnp-Transistor T3'' nach Art einer Darlington-Schaltung, wie in Fig.3
gezeigt, ergänzt sein.
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Die Basis des zweiten npn-Zusatztransistors T4' wird einerseits vom
Kollektor des dritten npn-Zusatztransistors T5' und andererseits vom Kollektor des
vierten npn-Zusatztransistors T6' gesteuert, welche beiden Kollektoren über den
gemeinsamen Widerstand R6' am positiven Pol der Gleichrichterbrücke liegen.
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Die Basis des dritten npn-Zusatztransistors T5' liegt über den Spannungsteiler
aus den Widerstanden R6', R7' am Nummernschalterimpulskontaktausgang 1 der Steuerschaltung
S. Die Basis des vierten'npn-Zusatztransistors T61 liegt über den Widerstand R8'
am Kollektor des ersten.npn-Zusatztransistors T2' und- sein Emitter am erwähnten
Schaltungsnullpunkt.
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Durch diese gemeinsame Steuerung des zweiten npn-Zusatztransistors
T4' wird erreicht, daß der elektronische Nummernschalterimpulskontakt geöffnet ist,-
wenn -der elektronische Nummernschalterarbeitskontakt geschlossen ist, nämlich im
Sprecpzustand, während der elektronische NumBernschalterimpulskontakt von-der Steuerschaltung
S betätigt wird, wenn der elektronische Nummernschalterarbeitskontakt geschlossen
ist, nämlich im Wählzustand.
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In Fig. 4 ist eine Abwandlung der Anordnung nach Fig.3 -gezeigt, bei
der der elektronische Nummernschalterarbeitskontakt aus einem pnp-Transistor besteht,
nämlich dem zweiten pnp-Transistor T7'. Dieser liegt mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke
zwischen dem positiven Pol des Kondensators' C und dem Sprechkreis SK, wobei dem
Sprechkreis, wie übrigens auch im Ausführungsbeispiel nach Fig.3, die Diode D2 derart
parallelgeschaltet ist, daß deren Kathode am positiven Pol der Gleichrichterbrücke
GL liegt.
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Die Basis ds zweiten pnp-Transistors T7 liegt einerseits über den
Widerstand R9' an seinem Emitter und andererseits über den Widerstand R10' am Ausgang
eines Verstärkers, dessen Eingangsstufe von dem bereits in Fig.3 gezeigten ersten
npn-Zusatztransistor T2' gebildet wird und dessen Ausgangsstufe den npn-Transistor
T8' enthält, dessen Emitter wm Schaltungsnullpunkt liegt, während dessen Basis vom
Kollektor des ersten npn-Zusatztransistors T2' gesteuert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen~diesen-beiden Verstärkerstufen
der weitere npn-Zusatztransistor T9 nach Art einer in Emitterfolgerschaltung betriebenen
Impedanzwandlerstufe vorgesehen wird, wobei als Arbeitswiderstand des Emitter folyers
der mit seinem einen Ende am Schaltungsnullpunkt liegt gende Widerstand R11' dient
und in die Kollektorleitung die Diode D1' eingefügt ist, deren Anode an der Betriebsspannung
UB der Steuerschaltung S, also dem positiven Pol des Kondensators liegt.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig.4 besteht der elektronische Nummernschalterimpulskontakt
wie in Fig.3 aus den Transistoren T3' und evtl. T3'' sowie T4' und $5' wobei allerdings
die erwähnte Verkopplung mit dem e-lektronischen Nummernschalterarbeitskontakt abgewandelt
ist. Die Basis des zweiten npn-Zusatztransistors T4' wird nämlich lediglich vom
Kollektor des dritten npn-Zusatztra,nsistors T5' angesteuert, wobei dessen Basis
einerseits über den Spannungsteiler aus den Widerständen
R6', R7'
m"t * den. Nummernschalterimpulskontaktausgang 1 der Steuerschaltung S und andererseits
über den Widerstand R121 mit dem Kollektor des ersten npn-Zusatztransistors T2 verbunden
ist. Damit wird wiederum das oben erwähnte zeitlich richtige Sperren und öffnen
der Transistoren T3, T7rerreicht.
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Falls erforderlich, können in allen Ausführungsbeispielen der Eingang
der Gleichrichterbrücke GL durch eine symmetrische Begrenzerdiode ZS überbrückt
werden und/otter der Ausgang der Gleichrichterbrücke GL mit einer üblichen Begrenzerdiode
Z2 abgeschlossen werden. Dies kann entfallen, wenn die Gleichrichterbrücke selbst
aus Z-Dioden besteht bzw. Z-Dioden enthält.
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In den Fig. 5-' und 6 sind zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung
geeignete Schaltungsanordnungen gezeigt' die jeweils den Betriebs schaltungen der
Fig. 3 und 4 hinzuzufügen sind. Im wesentlichen handelt es sich dabei um die Serienschaltung
des Spannungsstabilisators ST mit - mindestens einem Spannungsteiler, welche Serienschaltung
mit dem positiven und dem negativen Pol der Gleichrichterbrücke GL derart verbunden
ist, daß der Spannungsstabilisator ST am positiven und der Spannungsteiler am negativen
Pol angeschlossen sind. Am Abgriff jeden Spannungsteilers ist die Basis eines npn-Sperrtransistors
angeschlossen, dessen Emitter am negativen Pol der Gleichrichterbrücke GL liegt
und dessen Kollektor mit entsprechenden Schaltungspunkten der Fig. 3 :und 4 verbunden
werden muß. Die Spannungsteiler bestehen jeweils aus zwei Widerständen, an deren
Verbindungspunkten die Basis des flpn-SperrtransistQrs angeschlossen ist.
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Fig.5 zeigt die zu Fig.3 gehörende Schaltung der Erfindung.
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Hier sind -- zwei Spannungsteiler und zwei npn-Sperrtransistoren
vorgesehen, nämlich die Spannungsteiler mit den Widerständen R27, R28 bzw. R29,
R30 und die Transisto ren T24, Tun5, deren Basen am jeweiligen Abgriff des zugehörigen
Spannungsteilers angeschlossen sind. Der Kollektor des npn-Sperrtransistors T24
führt zum Punkt E in Fig.3, also zur Basis des dortigen npn-Transistors T1', während
der Kollektor des npn-Sperrtransistors T25 zum Punkt G in Fig.3, also zur Basis
des dortigen zweiten npn-Zusatztransistors T4', führt. Bei Leitendwerden der Sperrtransistoren
T24, T25 durch auftretende Überspannung wird somit der Transistor T1' in Fig.3 direkt
und der Transistor T3' dadurch gesperrt, daß der Transistor T4' gesperrt wird.
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In Fig. 6 ist schließlich die zu Fig.4 gehörende Schaltung der Erfindung
gezeigt. Sie besteht wiederum aus dem Spannungsstabilisator ST, vorzugsweise einer
Z-Diode, den beiden Spannungsteilern mit den Widerständen R31, R32 bzw. R33, R34
und den beiden npn-Sperrtransistoren T26, T27, deren Basen am jeweiligen Abgriff
des zugehörigen Spannungsteilers angeschlossen sind.
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Der Kollektor des npn-Sperrtransistors T26 führt zum Punkt F in Fig.4,
also zur Basis des dortigen npn-Transistors T8', der Ausgangs stufe des dortigen
Verstäers. Der Kollektor des npn-Sperrtransistors T27 führt zum Punkt G in Fig.4,
also zur Basis des dortigen zweiten npn-Zusatztransistors T4'. Die Punkte G in Fig.3
und Fig.4 sind somit identisch. Bei Auftreten einer Überspannung wird somit durch
das LelLendwerden der Sperrtransistoren T26, T27 der Transistor T81 gesperrt und
damit auch der Transistor T7' nach Fig.4, und ebenso wird der Transistor T4' gesperrt
und dadurch der Transistor T3'.
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3 Patentansprüche 4 Blatt Zeichnung mit 6 Figuren