DE2614418A1

DE2614418A1 - Oszillator zur hochfrequenzerregung von elektrischen verbrauchern, insbesondere von fluoreszenzroehren

Info

Publication number: DE2614418A1
Application number: DE19762614418
Authority: DE
Inventors: Frank Anthony Summa
Original assignee: ELECTRIDES CORP
Current assignee: ELECTRIDES CORP
Priority date: 1975-04-02
Filing date: 1976-04-02
Publication date: 1976-10-07
Also published as: US4066930A; ZA761935B

Description

GLAWE₁ DELFS, MOLL & PARTNER

PATENTANWÄLTE

OR.-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN DIPL-ING. KLAUS DELFS, HAMBURG DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN DIPL.-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG

8 MÖNCHEN 26
POSTFACH 37
LIEBHERRSTR. 20
TEL. (089) 22 65 48
TELEX 52 25 05

MÜNCHEN

A 68

Electrides Corporation Staten Island, iiei/y York / USA

2 HAMBURG13 POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE 58 TEL. (040)41020 08 TELEX 21 29 21

Oszillator zur Hochfrequenzerregung

von elektrischen Verbrauchern, insbesondere von Fluoreszenzröhren

Die Erfindung betrifft Schaltkreise zur Hochfrequenzerregung von elektrischen Verbrauchern, insbesondere von lluoreszenzröhren.

Die übliche Angabe des Wirkungsgrades des Energieverbrauchs bei Leuchtquellen ist ein als "Wirksamkeit" bezeichneter Parameter, der das Verhältnis des Lichtstroms (Lumen) zur Gesamteingangsleistung ('''att) darstellt. Beispielsweise beträgt dieser Parameter bei heute üblichen

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Fluoreasenzröhren etwa 55 "bis 65 Lumen pro Watt verglichen mit einem "wert von etwa 40 Lumen pro Watt für typische Glühlampen. Allein hinsichtlich des Wirkungsgrades wäre es daher wünschenswert, für die meisten Beleuchtungszwecke Fluoreszenzlampen zu verwenden.

Obwohl sie im Vergleich zu einigen Lichtquellen relativ effizient sind, ist der Wirkungsgrad der heute üblichen Pluoreszenzlampen weit von dem theoretisch möglichen Wert entfernt. Fluoreszenzlampen erfordern, wie alle Gasentladungsröhren, eine hohe Spannung, um den Strom zwischen den Lampenkontakten auszulösen. Dies ergibt sich daraus, daß vor der Zündung in der Röhre eine unendlich hohe Impedanz vorliegt. Die Zündung tritt auf, wenn die Ga.se innerhalb der Röhre ionisiert werden, so daß der Strom zwischen den Elektroden an jedem Ende der Röhre fließen kann. V7enn eine Gasentladungsröhre gezündet hat, zeigt sie eine negative Widerstandscharakteristik, und eine Art Stromregelvorrichtung wird üblicherweise verwendet, um den Strom in der Röhre zu begrenzen. Diese Strombegrenzungsvorrichtungen werden als "Last" bezeichnet.

Üblicherweise weist eine derartige Last einer ■Fluoreszenzlampe einen Schaltkreis auf, der eine Hochspannung, die bis zu 1000 YoIt betragen kann, den Elektroden der Gasentladungsröhre zuführt. Diese Hochspannung ist erforderlich, um die Elektronenemission aus diesen Elektroden zu erreichen und da-

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durch die Ionisation der Gase in den Röhren auszulösen. Eine oder "beide Elektroden weisen im allgemeinen ein Filament oder einen Faden auf, der geeignet ist, leichter Elektronen zu emittieren, wenn er aufgeheizt und einer derartigen Hochspannung ausgesetzt wird.

Ein Hachteil "bei dem heute üblichen Schaltkreis für Quecksilber dampf-Fluor eszenzlamp en ist der Energieverlust beim Betrieb der Last und beim Aufheizen der G-lühelektroden. Ein anderer Nachteil ist, daß die Lebensdauer der Lampe im wesentlichen durch die mechanische Haltbarkeit der Glühfaden bestimmt wird. Wenn einmal die Fäden gebrochen sind und aufhören, Elektronen zu emittieren, so arbeiten die Lampen nicht weiter, selbst wenn die das Licht erzeugenden Komponenten der Lampe (die -Gase in der Röhre und der Phosphor an den Röhrenwänden) funktionsfähig bleiben.

Es ist im allgemeinen anerkannt, daß die Erregung von Fluoreszenzröhren mit Hochfrequenzsignalen effizienter ist als übliche Lastschaltkreise. Aus dem einen oder dem anderen Grund sind jedoch diese Systeme nicht kommerziell geeignet. Offenbar geht bei bekannten Schaltkreisen zu viel Energie beim Schalten und bei der Verstärkung der Transistoren und beim Betrieb der Leistungstransformatoren verloren. Ein anderer Faktor ergibt sich daraus, daß die Lampenlebensdauer .stark verringert ist und daß die Enden der Röhre zur Schwärzung neigen auf Grund von Stromverzerrungen in der Röhre,

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die durch Zufuhr von Signalen mit zu vielen harmonischen Oberwellen in die Röhre verursacht werden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Erregungsschaltkreis zur Zündung von Fluoreszenzlampen und anderen G-as ent ladung slumineszenzvorrichtungen. Der Erregungsschaltkreis gemäß der Erfindung weist eine G-leichspannungsquelle auf. Mit dieser ist ein Oszillator zum Erzeugen von Srregungssignalen bei einer festen Frequenz verbunden, deren optimaler ™eg durch die Größe und die Charakteristika des zu erregenden Verbrauchers bestimmt wird, wobei die Frequenz im Bereich zwischen etwa 20 kHz bis etwa 10 MHz sein kann. Die Wellenform des Erregungssignals ist einer Sinuswelle angenähert. Der Oszillator v/eist zumindest einen Transistor auf.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Erregungsschaltkreises weist einen ferromagnetischen Schalenkernleistungstransformator auf, der über einen großen Frequenzbereich betrieben werden kann. Der ferromagnetische Schalenkern weist erste und zweite Primärwindungen und eine Sekundärwindung auf, wobei die erste Primärwindung' zwischen einen Pol der Grleichspannungsquelle und dem Kollektor jedes Transistors geschaltet ist. Eine Fluoreszenzröhre ist über die Sekundärwicklung dieses Transformators geschaltet.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Erregerschaltkreises weist außerdem erste, zweite und dritte parallele

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RC-Schaltkreise, einen Lastwiderstand und einen Emitterwiderst and auf. Der erste EO-Schaltkreis, die zweite Primärwicklung des ferromagnetisehen Schalenkerntransformators und der Lastwiderstand sind in Reihe zwischen den zwei Polen der Gleichspannungsquelle geschaltet. Der zweite RC-Schaltkreis ist zwischen einem Anschluß des Lastwiderstandes und der Basis jedes Transistors geschaltet. Der dritte RO-Schaltkreis ist zwischen der Basis jedes Transistors und dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle geschaltet. Ein Smitterwiderstand ist zwischen dem Emitter jedes Transistors und dem zweiten Pol der GIeichspannungsquelle geschaltet.

Die Erregungssignale des Erregerschaltkreises werden den Gasentladungsröhren mit einer Spannung zugeführt, die ausreicht, um die Ionisation der Gase auszulösen. Die Signale weisen eine vorbestimmte Frequenz im Bereich von etwa 20 kHz bis 10 IvIHz auf. Danach erniedrigt der Schaltkreis die Spannung und den Strom der den Röhren zugeführten Signale bis auf einen Wert, der zur Aufrechterhaltung der Gasionisation ausreicht.

Durch die Erfindung werden die Lebensdauer von Gasentladungslampen stark verlängert, und zwar weil keine Fadenelektroden mehr erforderlich sind, obwohl die vorliegende Erfindung auch bei Röhren mit Fadenelektroden angewendet werden kann. Im Vergleich zu bekannten Lastschaltkreisen wird bei dem erfindungsgemäßen Schaltkreis eine wesentliche

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Energieeinsparung erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anlie gende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Erregrerschaltkreises,

Ig. 1A und 1B graphische Darstellungen der idealen 7,'ellenform des Signals an den Punkten 650 und 651 in Fig. 1 und an den entsprechenden Punkten in der Ausführungsform der Fig. 2 und

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Erregerschaltkreises.

Gemäß Fig. 1 weist der erfindungsgemäße Erregerschaltkreis eine G-Ieichspannungsquelle 600, Widerstände 601 bis 604, Kondensatoren 605 bis 609, einen ferromagnetischen Schalenkerntransformator 610, einen Transistor 620 und eine Diode 615 auf. Der erste Anschluß des Widerstands 601 ist mit dem positiven Pol der G-Ieichspannungsquelle 600, mit dem ersten Anschluß des Kondensators 605 und mit der Endwicklung der Primärwicklung 610a des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 610 verbunden. Der zweite Anschluß des Widerstands 601 ist mit dem zweiten Anschluß des Kondensators 605 und mit der Endwicklung der Primärwicklung 610b des ferromagne-

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tischen Schalenkerntransformators 610 verbunden. Die Anfangswindung der Primärwicklung 610b des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 610 ist mit den ersten Anschlüssen der Widerstände 602 und 604 und dem Kondensator 606 verbunden. Die zweiten Anschlüsse der Widerstände 602 und der Kondensator 606 sind mit der Basis des [Transistors 620 und mit den ersten Anschlüssen des Y/iderstands 603 und des Kondensators 607 verbunden. Der Emitter des Transistors 620 ist mit der Anode der Diode 615 und die Kathode der Diode 615 ist mit den zweiten Anschlüssen der Widerstände 605 und 604 und des Kondensators 607 und mit dem negativen Pol der G-leichspannungsquelle 600 verbunden. Die ersten Anschlüsse der Kondensatoren 608 und 609 sind mit der Anfangswindung bzw. der Endwindung der Sekundärwicklung 610c des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 610 verbunden. In geeigneter Weise kann zwischen den zweiten Anschlüssen der Kondensatoren 608 und 609 eine Last 611 geschaltet sein.

Die G-Ieichspannungsquelle 600 kann in verschiedener Yrei ausgebildet sein. G-emäß Pig. 1 weist sie jedoch vorzugsweise einen Brückengleichrichter 6GOa zur G-esamtwelleh-G-leichrichtung des Wechselspannungseingangssignals auf, das an dem Abwärtstransformator 600b anliegt, wobei ein Y/iderstand 600c zur Einstellung der Spannung der G-leichspannungsquelle 600 und ein Kondensator 60Od zur Filterung des vollständig gleichgerichteten Wechselspannungseingangssignals vorgesehen sind. Das Potentiometer 600c ist in vorteilhafter VJeise der-

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art eingestellt, daß die Spannung am positiven Pol relativ zur Erde etwa 90 Volt beträgt.

Wenn der Schalter 600e der Gleichspannungsquelle 600 geschlossen ist, liegt eine positive Spannung am positiven Pol der Gleichspannungsquelle 600 an. Dabei fließt ein Strom durch den parallelen RC-Kreis, bestehend aus dem Widerstand 601 und dem Kondensator 605, und in die Primärwicklung 610b des ferromagnetische η Schalenkerntransformators 610. Aus der Anfangswindung der Primärwicklung 610b fließt Strom in den Widerstand 604 und in den parallelen RC-Kreis, bestehend aus dem Widerstand 602 und dem Kondensator 606. Der durch den RC-Kreis des Widerstands 602 und des Kondensators 606 fließende Strom fließt weiter durch den parallelen RC-Kreis, bestehend aus dem Widerstand 603 und dem Kondensator 607» zu dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 600. Ersichtlich wird, kurz nachdem Gleichspannung dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform des Erregerschaltkreises zugeführt wird, der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 620 geringfügig in Vorv/ärtsrichtung vorgespannt.

Da der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 620 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, kann Strom von dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 600 durch die Primärwicklung 610a des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 610 und durch den Transistor 620 und die Diode 615 nach Erde abgeleitet werden. Wegen der Gegeninduktivität ζγ/ischen der

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Primärwicklung 610a -und 61Cb induziert der Strom in der Primärwicklung 610a eine Spannung an der Anfangswindung der Primärwicklung 610b, die durch, die Bezugs zahl 650 in Pig. 1 gekennzeichnet ist. Diese Spannung ist positiv bezüglich Erdpotential und verursacht einen erhöhten Strom in die Basis des Transistors 620. Der Transistor 620 wird daher reiter geöffnet, so dai3 mehr Strom durch den Transistor 620 abgeleitet werden kann. Bei weiterem Öffnen des Transistors 620 fließt mehr Strom durch die Primärwicklung 610a des ferromagnetisehen Schalenkerntransformators 610. Diese Stromzunahme verursacht eine noch höhere, an der Anfangswindung der Primärwicklung 610b induzierte Spannung, so daß der Transistor noch weiter geöffnet wird. Mit anderen Worten tritt wegen der G-egenind.uktivität zv/ischen den Primärwicklungen 610a und 610b eine positive Rückkopplung zv/ischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 620 auf.

ilach einem kurzen Zeitraum nähert sich die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms durch die Primärwicklung 610a Hull. Wenn dies eintritt, bricht das elektromagnetische Feld, das in dem ferromagnetischen Schalenkerntransformator 610 durch den in der Primärwicklung 610a fließenden Strom aufgebaut ist, zusammen, und eine umgekehrte oder elektromagnetische Gegenkraft wird an der Primärwicklung 610a erzeugt. Wiederum wird wegen der G-egeninduktivität zwischen den Primärwicklungen 610a und 61Ob eine Spannung von der Primärwicklung 610a nach der Primärwicklung 610b induziert. Diese induzierte Spannung be-

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wirkt, daß die Spannung am Punkt 650 abzunehmen "beginnt. Daher nimmt die Spannung an der Basis des Transistors 620 ab, so daß dessen Durchlaßvermögen verringert wird. Außerdem beginnt zu diesem Zeitpunkt die Spannung an der Endwindung 651 der Primärwicklung 610b zuzunehmen. Die Spannung an der Basis des Transistors 620 v;ird negativ, so daß dieser gesperrt wird, ^venn die elektromagnetische Gegenkraft nicht weiter vorliegt, beginnt der Strom in die ursprüngliche Richtung zu fließen, und der Ablauf wiederholt sich.

Die Spannungen, die an den Primärwicklungen 610a und 610b anliegen, werden zu der Sekundärwicklung 610c des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 610 reflektiert und dazu verwendet, die Last 611 zu betreiben.

Die bei der eriindungsgemaßen Ausführungsform der Fig. 1 verwendeten Y,^rerte und/oder Arten der Komponenten sind in Tabelle 1 aufgeführt.

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'λ*

Tabelle 1

Bezugsziffer	602	Komponente	Wert	(max)
60Oc		Potentiometer	2500 0hm	100V
600d		IPiIt erkonäensator	1500 mPd,	1 Watt
601,		Widerstand	5,6K 0hm,	1 Watt
603	607	Widerstand	12K 0hm,	5 Watt
604	609	Widerstand	7,5K 0hm,	1000V
605		Kondensator	.02 mFd,	1000V
606,		Kondensator	.05 mfd,	6000V
608,	Kondensator	.003 mFd,
620	ITPl-Sransistor	211 5804
610	Ferromagnetischer Schalenkerntrans- formator

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Das durch, den erfindungsgemäßen Schaltkreis gemäß Fig. 1 erzeugte Hochfrequenzsignal weist einen Spannungswert auf, der ausreicht, die Gase innerhalb der Röhre zu ionisieren. Dies führt natürlich zur Abgabe von ultravioletter und sichtbarer Strahlung. Beispielsweise bei einer üblichen Fluoreszenzröhre sind als Gase in der Röhre sowohl Argon als auch Quecksilber enthalten. Die Argonmoleküle v/erden auf ihr Ionisationspotential durch das Hochspannungssignal gebracht und beginnen sich zu ionisieren. Die Bewegung der Argon-Ionen, die mit den hochfrequenten Oszillationen des Feldes gekoppelt ist, bewirkt die Ionisation der vorherrschenden Quecksilberatome. Die Quecksilberionen geben dann die gewünschte Strahlung ab, wenn die Elektronen in ihren äußeren Schalen von einem Energieniveau zu einem anderen übergehen. Eine Kettenreaktion der Kollisionen zwischen den Quecksilberatomen bewirkt, wenn sich das HF-Signal bei verringerter Spannung fortsetzt, die Aufrechterhaltung des ionisierten Gesamtzustandes. Je höher die Frequenz der elektrischen Feldoszillationen ist, um so angeregter werden die Quecksilberatome, um so mehr Kollisionen zwischen den Atomen in der Röhre treten auf und um so größer ist der Ionisierungsgrad und um so stärker ist die emittierte Strahlung. Bei dem erfindungsgemäßeii Erregerschaltkreis kann, in den erwähnten Frequenzbereichen, mit zunehmender Frequenz der Strom durch die Lampe bis zu einem Punkt verringert werden, an dem eine außerordentlich geringe leistung beim Lampenbetrieb verbraucht wird. Das Aufprägen eines HF-Signals in die Röhre bei ausreichender

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Spannung bewirkt die Ionisation des Argons an seinem Hauptionisationspotential. Da Argon ein höheres lonisationspotential als das Quecksilber hat, werden die ionisierten Argonatome die Ionisation der Quecksilberatome bewirken.

Der in !Fig. 1 dargestellte Schaltkreis oszilliert bei Hochfrequenz, um die Last 611 zu zünden und zu betreiben, die beispielsweise eine Fluoreszenzröhre sein kann. Mit dem Begriff Hochfrequenz ist ein Eereich von etwa 20 kHz bis etwa 10 1!Hz in Betracht zu ziehen. Im Rahmen der Erfindung können Frequenzen benutzt werden, die niedriger oder höher als der erwähnte Bereich liegen. Jedoch ist herausgefunden worden, daß bei Frequenzen unterhalb etwa 20 kHz hörbare Geräusche auftreten. Das Geräusch kann wesentlich verringert oder sogar vollständig vermieden werden durch eine Anzahl verschiedener Maßnahmen, beispielsweise durch Eintauchen der [Eransformatorenwicklungen in flüssigen Gummi oder in anderes geeignetes Material, oder durch Anwendung bekannter Geräuschunterdrückungstechniken auf das Signal am Ausgang des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 610. Allgemein ausgedrückt bedeutet dies, daß für eine vorgegebene Schaltkreiskonfiguration und eine vorgegebene Laapeiilast eine minimale Frequenz vorliegt, unterhalb der die Gasnoleküle nicht ausreichend angeregt werden, um eine vollständige Zündung der Lampe aufrechtzuerhalten. "Vährend dies theoretisch in den Fällen berechnet werden kann, wo das Anregungsniveau einer bestimmten Gaskombination bekannt ist, ist dies leichter da-

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durch, zu bestimmen, daß zuerst ein Leistungs~cransformator für die besondere anzunehmende Leuchtlast gewählt wird (wie weiter unten beschrieben wird), und daß danach ein Frequenzbereich durch den Transformator einer repräsentativen Last mit EiIfe eines Frequenzgenerators zugeführt wird. Bei Anwendung einer derartigen Technik kann die optimale Frequenz für eine vorgegebene Last ebenfalls vorbestiramt werden. Je höher die Frequenz des Anregungssignals ist, un so niedriger ist der erforderliche v^ert des Stroms und der Spannung der Quelle, um die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung dauerhaft aufrechtzuerhalten. Da die bei einer konstanten Spannung verwendete Leistung direkt von: Betrag des Stromes abhängt, können Einsparungen der Leistung bei HF-Betrieb realisiert werden. Bei einer vorgegebenen Lampenlast, einer vorgegebenen Schal tkreiekonfiguration und einen vorgegebenen Leistungstransformator ergibt sich jedoch auch ein Punkt, oberhalb dem die Beleuchtungsintensität neben dem G-esamtwirkungsgrad des Systems abzunehmen beginnt. Bei Lumineszenzröhren wird die optimale Luminosität bei verschiedenen Frequenzen erreicht, die von der Art, der Gfröße und der Anzahl der zu erregenden Lampen und auch von der Art des Leistungstransformators und den Charakteristiken der G-ase in der Röhre abhängen.

Entsprechend den G-rundlag en der vorliegenden Erfindung ist der Aufbau des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 610, über den die Lumineszenzgasentladungsröhre oder eine andere elektrische Last verbunden ist, kritisch. Der ferro-

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magnetische Schalenkerntransformator 610 ist aus Perritmaterial mit hoher ferromagnetischer Permeabilität aufgebaut, das die folgenden wesentlichen Eigenschaften aufweist:

a) Eine sehr feinkörnige kristalline Struktur von Eisenoxid (IPe₂Cu) mit anderen Metalloxiden bivalenter Metalle, beispielsweise Hiekel, Mangan, Zink, Magnesium od. dgl., in Verbindung mit keramischen Bindematerialien. Dadurch wird ein Kern mit ferromagnetischen Eigenschaften erstellt (eine extrem starke, größer als 70 ^cfo oder mehr molekulare Ausrichtung in einer Richtung), jedoch mit geringer elektrischer Leitfähigkeit. Daher sind derartige Kerne vorteilhaft, v/o Kerne aus üblichen Materialien, die gute Leiter sind, zu zu großen Verlusten an elektrischer Energie führen würden.

b) Das Magnetfeld des Kerns ist senkrecht zu den Windungen im Gegensatz zu den geraden und parallelen Feldern bei anderen Transformatoren.

c) Die Verwendbarkeit in einem großen Frequenzbereich. Dies ergibt sich aus seiner Fähigkeit, seine molekulare Struktur wieder auszurichten, wenn sich die Polarität bei Halbperioden entsprechend seinen ^eehselspannungseigenschaften in Abhängigkeit von der Eingangsfrequenz umkehrt.

d)-Die Konstruktion des ferromagnetischen Schalenkerns ist derart, daß, wenn ein elektrischer Strom durch die Win-

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düngen fließt, die Magnetisierung entlang der kubischen ICantenachse der kristallinen Struktur erfolgt. Dies verbessert V; es entlieh die Betriebseigenschaften des Kerns.

e) Ein holier /iäerstaiid (zwischen etwa 1C eis 10"* Ohm) und vernachlässigt are wirbelstromverluste in einem wechselnden Ilagnetf eld.

Sin geeigneter ferromagnetischer Schalenkern ist beispiels-7/eise unter dem Hamen SIFERRII Typ ÜJ26 der Siemens AG- bekennt.

Ein zweites Merkmal des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 610 ist die Verwendung eines Drahtes mit gleichem !Durchmesser sowohl in den Primär- als auch in den Sekundärwicklungen. Dieses vorteilhafte Merkmal ist das Ergebnis der Tatsache, daß keine Leistungsfaktorverzögerung in dem Leistungstransformator vorgesehen sein muß.

Die Ausbildung der Wicklungen um die Polycarbonatspule des ferromagnetischen S'chalenkerns wird durch eine Anzahl kritischer Faktoren bestimmt, die dem Fachmann bekannt ist. Die G-rö'ße der Ausgangs spannung des Erregungsschaltkreises ist eine Punktion der G-röße des Schalenkerns, des Wicklungsverhältnisses zwischen den Primär- und den Sekundärwicklungen und, in geringerem Maße, des Durchmessers des Spulendrahtes. Für optimale Betriebsbedingungen müssen die Kernwicklungen ihren Anfang an der gleichen Seite und ihre Endwindungen an

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der gegenüberliegenden Seite haben, während andernfalls Kernverluste auftreten und sich die Signaleigenschaften verschlechtern. Daher nüssen für eine bestimmte Beleuchtungsla.st diese Faktoren für ein optimales l.'.rgebnis t-bgevogen werden. Im aligemeinen sollten der größte Schalenkern ima cei größte für eine bestimmte Ausgangsspnanung -and ',Vindungsverhältnis geeignete Drahtdurchmesser verwendet werden. ITatürlicii muß die Induktivität der Kernv/icklungen auf den Rest des Schaltkreises abgestimmt werden.

Sei einigen vorteilhaften Anwendungen wird die Kerninduktivität als ein Element des impulserzeugenden Schaltkreises verwendet. In einem derartigen Fall kann es ratsam sein, zwei Primärwicklungen zu verwenden, von denen eine als Induktivität für einen Impulsgenerator, beispielsweise einen Sperrosziilator, und die andere zur Bestimmung des in der Sekundärwicklung induzierten Strom- und Spannungsbetrages dient.

Das Isolationsmateria,! um den Primär- und Sekundärwicklungen sollte eine hohe Impedanz und einen hohen Y/ärmewiderstand aufweisen.

Der Luftspalt zwischen den Hälften des ferromagnetischen Schalenkerns spielt eine kritische Rolle beim Betrieb des Transformators, und zwar wegen seiner direkten Beziehung zu der &esamtinduktivität des ferromagnetischen Schalenkerns. Der maximale Wirkungsgrad wird gewöhnlich mit einem möglichst

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kleinen Spalt erreicht. Jedoch kann der Spalt etwas einstellbar sein, um den Schalenkern auf den Lest des Schaltkreises abzustimmen.

Eine vorteilhafte Eigenschaft des ferronagnetischen Schalenkerns, die wesentlich au Ceu ü-esar-tvorteil des erfindungs-.;enäßen Erreger-schaltkreises beiträgt und ihn wesentlich von der: vorbekannten unter »ciieidet, ist; die ilnpas^ungsfähigkeit und der effiziente Betrieb bei verschiedenen jprequenswerten. "iemi daller festgelegt ist, daß ein bestic-mtes elektrisches System eine bestimmte Frequenz für optimalen Setrieb erfordert, so kann diese Frequenz in dem Impulserzeugungsschaltkreis erzeugt werden, ohne daI2 es erforderlich ist, einen anderen Schaleiikerntransformator zu verwenden.

Dieses Lerkmal führt bei dem Schaltkreis auch au der Anpassungsfähigkeit bei Verwendung mit einem Abblendschaltkreis, um weiter Energie zu sparen, wenn hohe Eeleuchtungsvverte aus anderen G-ründen nicht erforderlich sind. So kann beispielsweise das Abblenden durch Verringerung der Spannung des Signals erreicht werden., das der Beleuchtungslast zugeführt wird. Dies kann in bekannter Weise durch Verringeru;:-.^ der Eingangrjspannung des Schaltkreises oder an der Basis des Schalttransistors bewirkt werden oder dadurch, daß in einigen Ausführungsformen die Induktivität des ferromagnetische]! Schalenkemtransformators 610 verringert wird. In allen diesen Fällen hat jedoch die Jrecraeiizänderung geringen oder überhaupt

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keinen Effekt auf den Wirkungsgrad dei- Energieübertragung des 'Iransformators.

Der Ausgang der Sekundärwicklung des ferromagnetische!! Schalenkerntransformators 610 gibt an die Anschlüsse einer Lumineszenzgasentladungslampe eine Spannung ab, die ausreicht, die Ionisation der 3-ase in der Lampe auszulösen. Stromschwingungen, die als Ergebnis der abnehmenden Impedanz auftreten würden, wenn einmal die Zündung der G-ase in der Lampe stattgefunden hat, werden dadurch verhindert. daß ein Strombegrenzer, beispielsweise ein Kondensator in Reihe mit der Sekundärwicklung des !Transformators, geschaltet ist. natürlich sollte Sorgfalt ciarauf verwendet v/erden, sicherzustellen, daß der verwendete Kondensator die richtigen Spannungs- und -<V arme zylcluswerte aufweist.

Da bei der vorliegenden Erfindung keine thermionische Emission der Elektronen erforderlich ist, um die Ionisation der G-ase in einer Lumineszenzröhre anzuregen, ist es ein Merkmal der Erfindung, daß Fluoreszenzlampen ohne die ITotwendigkeit der aufgewickelten Fadenelektroden wie bei heute üblichen Fluoreszenzlampen gezündet werden. Tatsächlich können Lampen, deren Fäden gebrochen oder aus dem einen oder anderen Grund zerstört sind, ohne Einschränkung mit dem erfindungsgemäßen Erregerschaltkreis betrieben werden, solange nur ausreichend G-ase in der Röhre sind. Als eine Alternative zu den teuren, leicht brechenden Filaments können elektrisch

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leitfiuiige, kreisförmige Scheiben als Elektroden in den Lampen verv;endet werden. Derartige kreisförmige Scheiben sollten iioclipoliert sein, und die inneren Hclirenenu en sollten ebenfalls hociipoliert sein, da die Eeflexionsgüte des hochpolierten Haterials dazu führt, daß im Vergleich zu bekannten Techniken mehr ultraviolettes Licht in sichtbares Licht umgewandelt wird. Daher wird eine größere Lichtausbeute erzielt, da mehr ultraviolettes Licht zu dem Phosphor reflektiert wird, das dann das UV-Licht in sichtbares Licht umwandelt. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, dais die Lampen wie bisher Elektroden aufweisen. Es ist nur erforderlich, dai3 das durch die erfindungsgemäßen Schaltkreise erzeugte hochfrequente elektrische PeId der Lampe aufgeprägt wird, um auf die G-ase innerhalb der Röhre einzuwirken und sie zu ionisieren.

Die Leiter, die die Sekundärwicklung 610c des ferromagnetischen Schalenkerntransformators mit den Anschlüssen der Lampe verbinden, sollten vorzugsweise abgeschirmte Kabel sein und/oder einen breiten, flachen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Dies dient dazu, um geglichen Skin-Effekt abzuschwächen, der bei der Übertragung des Eochfrequenzsignals auftritt. ITatürlicli können übliche Leiter verwendet werden.

Die Erzeugung ultravioletter Strahlung und die Umwandlung derartiger Strahlung in Licht erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Schaltkreis mit höherem Y/irkuiigsgrad, da bei höheren

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Frequenzen die Atome während einer längeren Zeitdauer an einem höheren Energieniveau gehalten werden. Im Hinblick auf das fundamentale Drehimpulsquant hat das Atom in jedem seiner Drehimpulszustände unterschiedliche Energie. Der Zustand mit der geringsten Energie ist der, in dem sich das Elektron am schnellsten "bewegt und wird als G-rund zustand "bezeichnet. In diesem Zustand strahlt das Atom überhaupt nicht. V/enn die Atome durch Kollisionen bei hohen Temperaturen oder in einer Vakuumelektronenröhre heftig angestoßen oder durch elektrische Felder beschleunigt v/erden, v/erden sie zu einem höheren Zustand angeregt. Das Atom strahlt nicht in diesem höheren Zustand, dagegen verliert es die Energie, wenn es in einen niedrigeren Energiezustand zurückkehrt; dies ist die abgestrahlte Energie. Die Quantentheorie besagt außerdem, daß bei einer bestimmten Farbe oder Frequenz des Lichts die Strahlungnmenge von einem Atom von der Gesamtmenge der linergieverluste hei einem Quant eiiüb er gang von dem angeregten Zustand zu dem niedrigeren Energiezustand abhängt. Je größer der Energiesprung vom höheren zu dem niedrigeren Zustand ist, um so blauer ist das Licht oder um so höher ist die Frequenz. Bei "bekannter Masse, Ladung und der zulässigen werte des Drehimpulses des Elektrons ist es möglich, die möglichen Energiezustände und den Snergiebetrag vorherzusagen, der erforderlich ist, um eine "bestimmte Lichtfarbe zu erzeugen. Bei Kenntnis der oben genannten Faktoren ist es außerdem möglich, das am besten geeignete Gas vorherzusagen, das bei allen Arten von Lampen und Röhren verwendet werden sollte. Beispiels-

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v/eise ist es mit einem G-as v;ie beispielsweise Argon möglich., viele Atomlinien bei relativ geringer Energiezufuhr zu erzeugen. Die von den Argonatomen abgegebene Strahlung, die aus einem Energieniveau von diesen Löheren Quantenzuständen zu dem Grundzustand übergehen, kann bei der Licht erzeugung verwendet werden. Gleichzeitig bestimmt die Energie, die von dem G-as zur Brreicaung jedec Qu ante ns ρ rung ο zu einen höheren Anregungszustand absorbiert wird, die !Resonanzfrequenz des Gr as es.

Resonanz ist daher der Punkt, an dem das Gassystem am effizientesten Energie absorbiert. Um Resonanz zu erreichen, die mindestens am Zündpunkt erforderlich ist, muß die Frequenz des Eingangssignals so nahe wie möglich mit der natürlichen Frequenz des Gases übereinstimmen, was immer für ein Gas in der Gasentladungsröhre enthalten ist. Dadurch werden auch Strahlungsverluste auf einem absoluten Minimum gehalten und der Skin-Effekt verringert.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des Erregerschaltkreises weist drei parallele EC-Schaltkreise auf, von denen zwei mit T1 bzw. T2 bezeichnet sind. Der dritte RC-Schaltkreis weist einen Widerstand 601 und einen Kondensator 605 auf. Bei Versuchen ist festgestellt worden, daß diese RC-Kreise und die Werte von deren Komponenten kritisch für den richtigen Betrieb des Erregerschaltkreises sind.

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Der EO-Kreis ¹11 verhindert, daß hohe Spannungsspitzeri zwischen der Basis und dem Emitter des [transistors 620 auftreten. Der RG-Kreis T2 verhindert ITiederf requenzsignale im Basisstrom des Transistors 620. Die \;erte des Understands 601 und des Kondensators 605 in dem dritten HC-Kreis bestimmen die Oszillationsfrequenz des Erregerschaltkreises, und es ist in Versuchen herausgefunden worden, daß die V/er te der Komponenten in den RO-Kreisen T1 und T2 nicht wesentlich die Oszillationsfrequenz des Srregersciialtkreises beeinflussen.

In Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgeinäßen Erregerschaltkreises dargestellt. Er weist einen Gleichrichter 200 und einen Oszillator 201 auf. Am Eingang des Gleichrichters 200 liegt eine Wechselspannung 205 an, und am Ausgang des Gleichrichters 200 liegt eine Gleichspannung ain Oszillator 201 an. Der Oszillator 201 verwendet diese Eingangsgleichspannung, um ein Erregersignal für die Last 202 zu erzeugen, das im wesentlichen eine Sinuswelle ist.

Der Gleichrichter 200 weist einen Transformator 200a auf, der vorzugsweise die Größe der Eingangswechselspannung 203 verringert. Die verringerte Wechselspannung wird durch den Zweiweggleichrichter 200b vollständig gleichgerichtet, der vorzugsweise, wie dargestellt, ein Brückengleichrichter ist. Ein Filterkondensator 200c ist zwischen dem Gleichspannungsausgang des Zweiweggleichrichters 200b als Brummfilter geschaltet, um am Ausgang des Gleichrichters 200 im wesentli-

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chen eine G-Ie ich spannung zu erhalten.

Der Oszillator 201 weist einen parallelen RC-Kreis T3, einen ferromagnetischen Schalenkerntransformator 211, einen parallelen RC-Kreis 12, einen parallelen RC-Kreis T1, einen Vorspannungswiderstand 216, Transistoren 2O9a-2O9d (die zueinander parallel geschaltet sind), Emitterwiderstände 210a-21Od und einen Schalter 208 auf, wobei alle diese Komponenten in der in Pig. 2 dargestellten Weise miteinander verbunden sind.

Der Betrieb der in Pig. 2 dargestellten Ausführungsform gleicht im wesentlichen dem des Oszillators gemäß Pig. 1. Der in I'ig. 2 dargestellte Oszillator weist jedoch bestimmte Vorteile gegenüber dem Oszillator gemäß Pig. 1 auf, wie im folgenden näher erläutert wird.

Der ferromagnetische Schalenkerntransformator 211 hat vorzugsweise jede der Eigenschaften, die weiter oben mit Bezug auf den ferromagnetischen Schalenkerntransformator 610 (Pig.1) genannt worden sind. Die beiden Serienschaltungen, einerseits Drossel 212 mit Kondensator 214 und andererseits Drossel 213 mit Kondensator 215₉ sind in Reihe mit der Sekundärwicklung 211c des ferromagnetischen Schalenkerntransformators 211 in der dargestellten Weise geschaltet. Ein Anschluß des Kondensators 214 bildet einen Ausgang des Oszillators 201, und ein Anschluß des Kondensators 215 bildet den zweiten Ausgang des

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Oszillators 201. Die Last 202, bestehend aus einer oder mehreren Pluoreszenzröhren, ist zwischen den zwei Ausgängen des Oszillators 201 geschaltet.

Ein Vorteil der Ausführungsform gemäß J¹Xg. 2 gegenüber der der Pig. 1 ist die Aufnahme des Schalters 208 in dem Basispreis des Transistors 209a-209d. Palis die Last 202 auf Grund eines Fehlers oder durch Abnahme abgetrennt wird, wird der Basisstrom in dem Transistor 209a-209d zunehmen. Der Unterbrecher 208 wird ausgelöst, wenn der Basisstrom einen vorbestimmten ¥ert erreicht, so daß dieser erhöhte Basisstrom die Transistoren 209a-209d nicht zerstören kann und eine wesentliche Leistungsersparnis erzielt wird.

Ein anderer Vorteil der Ausführungsform der Pig. 2 ist die Verwendung der Transistoren 209a-209d, die parallel zueinander geschaltet sind. Diese parallele Anordnung gestattet es, daß der Srregerschaltkreis der Last 202 mehr Leistung zuführen kann, als wenn lediglich ein einzelner Transistor benützt v/erden würde.

Ein anderer Vorteil der Ausführungsform der Pig. 2 ist die Verwendung der Drosseln 212 und 213 und der Kondensatoren 214 und 215· Die Werte der Komponenten sind derart gewählt, daß sie zur Unterdrückung der Radiofrequenz-Interferenz durch Abschwächung jeglicher Oberwellen des Erregersignals beitragen, die an der Sekundärwicklung 211c des Schalenkerntransforma-

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•Ν. V

tors 211 auftreten können.

Die Werte und/oder die Arten der Komponenten, die in der Ausführungsform. gemäß Fig. 2 verwendet werden, sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt.

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Tabelle 2

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Bezugsζiffer	Komponente	Wert u/o Typ
200c	Transformator	^:vayne Trensformator 125V/63V
200b	Brückengleich- richter	Gen. Inst. KBPC 806
200c	Kondensator	1200 mPd, 1507 =
202, 206, 216	Widerstand	7,5K, 5 TCatt
204	Widerstand	5,6K, 5 "'att
203, 205, 207	Kondensator	0,05 niFd, 15007 =
208	Unterbrecher	15C mA bei 140$
209a.-2O9d	Transistor	RCA 2IT6512
210a-210d	Emitterwider stand	0,5, 12 ^T"att
211	ferromagnetischer Schalenfcern- transformator	Ferrozcube 4229 C-Al 1600-387
212, 213	Drossel	: Perroxcube 7K 200204B
214, 215	Kondensator	■ 0,01 mPd, 30007 =

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Die obigen Ausführungen zur Wirkungsweise der parallelen RC-Kreise der Pig. 1 sind ebenfalls anwendbar auf die parallelen RC-Kreise der Fig. 2. Bei Versuchen ist herausgefunden worden, daß die Werte des Widerstands und des Kondensators, aus denen jeder parallele RC-Kreis besteht, für den richtigen Betrieb des Erregerschaltkreises kritisch sind.

Die exakte theoretische Basis zur Auswahl der Werte des Widerstands und des Kondensators für jeden parallelen RC-Kreis ist gegenwärtig noch unbekannt. Es wird jedoch angenommen, daß die Auswahl dieser Komponenten durch die Art des verwendeten Transistors und durch die Eigenschaften des verwendeten ferromagnetischen Schalenkerntransformators bestimmt wird.

Die G-renzfrequenz der parallelen RC-Kreise 11 und 13 beträgt etwa 425 Hertz und des parallelen RC-Kreises T2 etwa 570 Hertz. Da Signale mit !Frequenzen, die wesentlich oberhalb dieser G-renzfrequenzen sind, durch diese RC-Kreise abgeschwächt werden, wird dadurch den Basen der Transistoren 2O9a-2O9d ein "reineres" G-leichspannungssignal zugeführt.

Bei weiteren Versuchen mit der Ausführungsform gemäß Pig. 2 wurden die Werte der Widerstände 202, 204 und 206 verringert. Es wurde folgendes herausgefunden: (1) Die Abnahme des Wertes des Widerstandes 202 änderte die Frequenz des Erregersignals j (2) die Abnahme des Wertes des Widerstandes 204 führte zu einem ETiederfrequenzanteil in dem Basisstrom der

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Transistoren 209a-209d; und (3) die Abnahme des Viertes des "Widerstandes 206 füiirte zu Spannungsspitzen an der Basis jedes Transistors. Obwohl die theoretische Basis der Betriebsweise des Schaltkreises nicht bekannt ist, haben diese Versuche gezeigt, daß für einen vorgegebenen Transistor und einen vorgegebenen ferromagnetischen Scho.lenkerntransforraator optimale V.'erte der Komponenten bestehen.

Die Uerte der Kondensatoren in jedem der parallelen HO-Kreise wurden ebenfalls gegenüber den optimalen 'werten der Tabelle 2 variiert. Wenn der Wert dieser Kondensatoren erhöht wurde, wurde noch eine Zündung der Fluoressenzröhre erreicht, jedoch zog der Erregerkreis einen höheren Strom. ';;enn der V.'ert der Kondensatoren verringert wurde, konnte eine Zündung der Fluoreszenzröhre nicht mehr erzielt werden.

Im Rahmen von Versuchen ist auch herausgefunden worden, daß Fluoreszenzröhren, die mit dem erfindungsgemäßen Erregerschaltkreis erregt wurden, wesentlich weniger leistung erfordern als Fluoreszenzröhren, die durch bekannte Lastkreise erregt werden. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigen eine Ersparnis von 30 bis 40 % gegenüber der Leistung, die zur Erregung von Fluoreszenzröhren mit bekannten Schaltkreisen erforderlich ist.

Zusätzliche Versuche sind ausgeführt worden, um den Leistungsfaktor der Eingangswechselspannung bei Betrieb des er-

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findungsgemäßen Erregerschaltkreises zu bestimmen. Es ist herausgefunden worden, daß dieser Leistungsfaktor 0,78 "betrug, was zeigt, daß der erfindungsgemäße Erregerschaltkreis gegenüber der ZingazLgswechselspannung im wesentlichen eine ohms ehe Last ist.

Die im Zusammenhang mit der Verwendung bei Fluoreszenzröhren beschriebenen erfindungsgemäßen Erregerschaltkreise stellen insbesondere auch kommerziell vorteilhafte Schaltkreise zur Erregung von Fluoreszenzröhren mit hochfrequenter Energie dar.

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Claims

261U18 Patentansprüche

1.) Transformatorgekoppelter Oszillator zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals an der Sekundärwicklung des Transformators zur Erregung von Fluoreszenzröhren, mit mindestens einem Transistor und einer Gieichspannungsquelle mit zwei Polen, gekennzeichnet durch einen ferromagnetischen S chalenkerntransf ormator (610, 211) mit zwei Primärwicklungen (610a, 610Td; 211a, 211Td) und einer Sekundärwicklung (610c} 211c), wobei die erste Primärwicklung (61Ca; 21 Tb) zwischen dem ersten Pol der 6-1 eichspannungsquelle (600; 200) und dem Kollektor jedes Transistors (620; 209a-209d) ist, eine Reihenschaltung, bestehend aus einem ersten parallelen RC-Kreis (601, 605; 202, 203), der zweiten Primärwicklung (610Td; 211a) und einem Vorspannungswiderstand (604; 216), die zwischen den zwei Polen der Gieichspannungsquelle (600; 200) geschaltet ist, einen zweiten parallelen RC-Kreis (602, 606; 204, 205; 12) zwischen einem Anschluß des Vorspannungswiderstandes (604; 216) und der Basis jedes Transistors (620; 209a-209d), einen dritten parallelen RC-Kreis (603, 607; 206, 207} T1), dessen eines Ende mit der Basis jedes Transistors (620; 2O9a-2O9d) und dessen anderes Ende mit dem zweiten Pol der ffleichspannungsquelle (600; 200) verbunden ist, und durch einen Emitterwiderstand (615; 210a-210d) zwischen dem Emitter

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jedes Transistors (620; 2O9a-2O9d) und dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle (600; 200).

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß vier Transistoren (209a-209d) vorgesehen sind.

3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Grenzfrequenz des ersten und des dritten parallelen RO-Ereises weniger als 500 Hertz "beträgt.

4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 Ms 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Erregersignal an der Sekundärwicklung (610c; 211e) des Schalenkerntransforinators (610; 211) im wesentlichen eine Sinuswelle ist.

5. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Unterbrecher (208) in Reihenschaltung mit dem dritten parallelen RC-Kreis vorgesehen ist.

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