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derper Strauss, Berlin
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NeBanordnung zur Messung eines Augenblickswertes einer impulsprtigen
oder periodischen Spannung, insbesondere des @cheitelwertes oder des Durchschlagwertes
von Stoß- oder Sechselspannungen.
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!)ie Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Messung eines
zu einem frei wählbaren Zeitpunkt auftretenden Augenblickswertes einer impulsartigen
oder periodischen Spannung beliebigen zeitlichen Verlaufes, insbesondere des positiven
oder negativen Scheitelwertes oder des Durchschlagwertes einer vollen oder in er
Stirn oder im Rücken abgeschnittenen Stoßspannung oder einer Wechselspannung, unter
Einsatz einer Folge-Halte-Stufe.
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Vorzugsweise in der Hochspannungstechnik ist die Messung des Dcheitelwertes
einer Stoßspannung bei der Beurteilung der lsolierfähigkeit eines Betriebsmittels
vor allem in Prüffeldern von Bedeutung, insbesondere bei der Ermittlung der Stoßkennlinie
fiir die Isolationskoordination. Die Messung des Durchschla;wertes einer in Rücken
abgeschnittenen Stoßspannung ist für die Beurteilung der Isolierfähigkeit eines
Betriebsmittels neben der Scheitelwertmessung von Bedeutung.
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sie Messung des Scheitelwertes einer periodischen Spannung beliebiger
Kurvenform, insbesondere einer technischen Wechsel-Spannung, ist wegen der Zuordnung
der Uberschlag- oder Durchschlagspannung zum höchsten aufgetretenen Spannungswert
in der Hochspannungstechnik vor allem in Prüffeldern von Bedeutung.
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Die Messung des Augenblickswertes einer Spannung unmittelbar vor einem
durch einen externen Impuls vorgebbaren Zeitpunkt kann in vielen Anwendungsfällen
nützlich sein, beispielsweise die Messung des Steuerstromes eines Ableitcrs unmittelbar
vor dem Ansprecher oder die Messung des Scheitelvertes der Halbperiode der betriebsfrequenten
Wechselspannung an den Klemmen des Ableiters während des fließens des Folge stromes
bei der Arbeitsprüfung nach VOE 0675.
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Es ist bekannt, zur messung des Spitzenwertes zeitabhängiger Spannungsverlaufe,
vorzugsweise zur Scheitelwertmessung von Wechselspannungen oder Impulsspannungen,Schaltungen
mit einem oder mehreren in Kaskade geschalteten Spitzenwertgleicl-lrichtern zu verwenden,
wobei im wesentlichen ein Ladekondensator über einen Gleichrichter aufgeladen wird,
gegebenenfalls unter Verwendung von gegenkoppelnden Rechenverstärkern zur Reduzierung
des durch die Schleusenspannung des Gleichrichters verursachten Meßfehlers (AS 1
591 876).
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Mit diesen bekannten Anordnungen können jedoch nur Scheitelwerte gemessen
werden, die Messung des Durchschlagwertes einer itrt Riicken abgeschnittenen Stoßspannung
oder die Messung des zu einem bestimmten, frei vorgebbaren Zeitpunkt auftretenden
Spannungswertes ist nicht möglich. Die hierbei zusatzlich verwerdeten Operationsverstärker
weisen aufgrund schaltungsbedingter Rückführungen ein Uberschwingen auf, welches
größer wird, je höherfrequente Spektralanteile die zu messende Spannun. aufweist.
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Da in einem Dioden- kondensatorspeicher der größte ert geseeichert
wird, ergibt sich hieraus, daß das durch die Operationsverstärker verursachte Überschwingen
mitgemessen wird, wodurch ein erieeblicher positiver Meßfehler entstehen kann. Dieser
kann durch eine loandbreitenbegrenzung des Eingangssignals klein gehalten werden,
was jedoch zu einer größeren Ladezeitkonstanten und somit zu größeren Meflfehlern
bei der Messung von in der Stirn abgeschnittener Blitz- Stoßspannung führt.
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I!S ist weiterhin bekannt, zur Spitzenwertgleichrichtung von periodischen
Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenz eine Schaltungsanordnung nach Figur
1 zu benutzen, welche als Speicherstufe eine Folge- Halte- Stufe FHS enthalt, wobei
das Steuersignal ST durch differenzieren der periodischen EingangsspannunPg E und
Vergleich mit Null in einer Impulsformstufe M erzeugt wird(OSR719591).
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Es ist weiterhin bekannt geworden, das steuersignal ST durch direkten
Vergleich der Eingangs spannung E und der Ausgangsspannung A mit Hilfe eines Komparators
h zu erzeugen (Bertschiner/Brandestini Internationales symposium für Hochspannungstechnik
1975, Zürich Seite 194...198), siehe Figur 2. Solange die Spannung E Größer als
die
Spannung A ist, wird die Folge-Halte-Stufe in folgen geschaltet, nderenfalls in
halten.
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kiese beiden Anordnungen eignen sich zur Messung des eicheitelwertes
von Spnnnungen, deren Frequonzspektrun nur verhältnismäßig niederfrequente Anteile
enthalt. Die Messung eines Spannungsweretes unmittelbar vor einem Durchschlag ist
hiermit nlciit möglich, up anfgrund der unvermeidbaren Durchlaufzeit der Stufen
DF, K und M das Steuersignal ST die Folge-Halte-Stufe erst nach dem DurcE-schlag
in den Haltezustand schaltet und somit der gespeichert Spannungswert in der Folge-Halte-Stufe
in keinem Zusammenhang mit dem Spannungswert unmittelber vor dem Durchschlag steht.
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Es ist weiterhin bekannt geworden, zur Messung der Amplitude ele1trischer
Impulse einen Spitzenspannungsmesser über ein Laufzeitglied und einen gesteuerten
Schalter an die Impulsquelle anzuschließen, wobei der Schalter den Spetzenspannungsmesser
von der impulsquelle dann trennt oder die Zuleitung kurzschließt, wenn eine eingestellte
Impulshöhe überschritten wird, wobei der Zeitverzug durch das Laufzeitglied so kompensiert
ist,daß der die eingestellte Impulshöheöhe überschreitende Impuls vom Spitzenspannungsmesser
nicht mehr registriert wird (AS 1 766 545).
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Zeit dieser Anordnung ist es möglich, im Frequenzbereich technischer
Wechselspannungen einen Spannungswert wenige mse c vor erreichen eines bestimmten
Grenzwertes vor einem sprunghaften Anstieg der Meßspannung zu messen. Die messung
des Durchschlagwertes einer in Stirn oder Hiicken abgeschnittenen Stoßspannung ist
mit dieser Schaltungsanordnung nicht möglich.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Meßanordnung, welche insbesoadere
in der Hochspannungsprüf- und meßtechnik vielseitig einsetzbar ist und gegenüber
den üblicherweise benutzten sehr spezialisierten Meßgeräten zusätzliche Meßmöglichkeiten
bietet, wobei der Berejch von der technischen Wechselspannung über die Schaltstoßspannung
beliebiger Kurvenform bis zur vollen o(ler beschnittenen BlitzstoRspannung abgedeckt
wird.
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Erfindungsgemäß wird die zu messende Spannung Uo über ein Laufzeitglied
1 einer Folge-Halte-Stufe 2 zugeführt, in welcher der @eßwert für eine bestimmte
Zeit gespeichert wird, wobei die Signallaufzeiten in der für die Steuerung der Folge-Halte-Stufe
2 notwendigen Steuerelektronik 4 bis 9, welche einige 10 nsec.
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bet@ en können, durch die Laufzeit des Laufzeitgliedes 1 kompensiert
wird.
Die Laufzeit des Laufzeitgliedes 1 wird so ,;earJehlt, daß bei einem plötzlichen
Spannungazusammenbruch der Meßspannung Ue das Steuersignal ST die Folgs-Halts-Stufe
2 in den Zustand halten schaltet, unmittelbar bevor sich der Spannungszusammenbruch
am Speicherkondensator CL und damit in der Ausgangsspannung der l.'olge-Halte-StuSe
2 als Meßfehler bemerkbar macht.
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Die erzeugung eines logischen Signals ST zur Steuerung dej. Folge-Halte-Stufe
2 wird in Verbindung mit einer Logikschaltung 9 zum Zeitpunkt des Auftretens des
ausgewählten Augenblickswertes in der Meßspannung Ue von wenigstens einer speziellen
Frkennungsstufe 6,7,8 vorgenommen.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind einerseits eine erheblich
verbesserte Meßgenauigkeit gegenüber den üblicherweise verwendeten Meßverfahren
bei der Scheitelwertmessung einmaliger Impulsspannungen mit hochfrequenten Spektren,
wic z.B. einer in der Stirn abgeschnittenen Blitzstoßspannung oder Steilstoßspannung,
anderenseite die Möglichkeit, einen nach einem Scheitelwert auftretenden, gegebenenfalls
kleineren Momentanwert einer Spannung beliebigen zeitlichen Verlaufes mit guter
Meßgenauigkeit zu messen, wie z. B. den Durchschlagwert einer im Rücken abgeschnittenen
Stoßspannung schwingenden oder aperiodischen zeitlichen Verlaufes.
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Die Messung erfolgt automatisch und der erhaltene Meßwert wird driftfrei
beliebig lange, bzw. bis zum neuerlichen anlegen einer Meßspannung angezeigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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In Figur 13 wird die zu messende Eingangsspannung Ue über eine Verzögrerungsleitung
1 an einen Spannungsteiler 131 bis 139 geführt, den Grobschutz gegen bberspannungen
übernimmt ein Uberspannungsableiter 130. Durch anlegen eines logischen Signals an
TV schlieRt Schalter 142 die Teilerelemente 133 und 138 kurz, wodurch sich das Teilerverh½ltnis
ändert. Den Feinschutz gegen bberspannutzen der an Um angeschlossenen Bauelemente
wird von tlen Slernenten 143 bis 150 in Verbindung mit Widerstand 135 übernommen,
welcher gleichzeitig eine ausreichendc Dämpfung des Spannungsteilers bewirkt.
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Figur 14 zeigt die Folge-llalte-tufe 2, die Spannung Um wird an einen
Impedanzwandler V6 gelegt, welcher iiber den als Schalter
eingesetzten
FET SCH den Kondensator CL mit möglichst kleinem Schleppfehler auflädt. Die an CL
anliegende Spannung wird an einen Verstärker mit kleinem Eingangsstrom gelegt, dessen
Verstärkung mit den Widerstanden So und 81 einstellbar ist und dessen Ausgan die
Spannung Ua abgibt. Die Steuern des FET SCH erfolgt iiber eine Treiberstufe mit
den Elementen 72 bis 77 Über den Steuereingang ST. (FET = Feldeffekttransistor).
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Mit Kondensator 78 kann der transiente Spannungssprung, welcher beim
Ein- und Ausschalten von SCH in Ua entsteht, kompensiert erden. Die in die positive
und negative Versorgungsspannung eingeschalteten Tiefpaßglieder mit den Elementen
56 bis 71 halten mögliche transichte Überspannungen in der Versorgungsspannung von
den elektronischen Bauelementen fern.
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Figur 15 zeigt eine Schaltung, mit welch.er die Ausgangsspannung Ua
der Folge-Halte-Stufe 2 abhängig von der Stellung der 4 Schalter 151 bis 154 mit
nilfe der widerstände 155 bis 164 mit 4 unterschiedlichen Faktoren multipliziert
werden kann, sodaß eine Anpassung an 4 unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse
des bei der Hochspannungsmessung notwendigen Hochspannungsteilers vorgenommen werden
kann, wodurch eine direkte Anzeige in kV ohne zusätzlichen Umrechnungsfaktor erreichbar
ist.
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Die Umschaltung des Eingangsteilers mit Schalter 142 durch anlagen
eines log. signals an TV wird durch umschalten des Spannungsteilers 163,164 mit
den Schaltern 165,166 berücksichtigt, sodaß auch hier ohne Umrechnungsfaktor die
Anzeige direkt in kV erfolgt.
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Figur 16 zeigt die Schaltung der Polaritätsumschaltung 4, welche in
diesem Ausführungsbeispiel an die Spannung Um angeschlossen ist.
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Die Spannung Um wird an den Eingang eines Impedanzwandlers 19 bis
2z gelegt, dessen Ausgangsspannung wird über einen Hochpaß kleiner Eckfreguenz 23,24,?5
an eine Verstärkerstufe 26, 27, 28 mit Verstärkung -1 gelegt. Je nach legischem
Zustand von 10pas und 10ne@ wird entweder Schalter 30 oder Schalter 29 eingeschaltet,
wodurch über Kondensator 31 entweder die nichtinverte spannung Um vom Ausgang des
Impedanzwandlers 19 bis @2 anliegt oder die inve tierte Spannung Um vom Ausgang
der Verstärkerstufe 26, 27, @@ an de Eingang eines weiteren Impedanzwandlers 34
bis 37 gelegt
wird, welcher die Spannung Up als Ausgangsspannung
abgibt. Der Gleichspannungspegel von Up kann mit Potentiometer 33 und Widerstand
32 eingestellt werden. Die iiefpaßfilter 40 bis 55 halten transiente Spannungen
in der versorgungsspannung von den elektronischen Bauelementen fern.
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Figur 17 zeigt die Schaltung eines Ausführungsbeispieles der Scheitelerkennunbrsstufe
6. Die Ausgangsspannung Up der Folaritätsumschaltstufe 4 wird an den nichtinvertierenden
Eingang einer Verstarkerstufe V1 großer Verstärkung und Bandbreite gelegt.
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Der Ausgang von V1, Spannung U1, lädt bei steigender Spannung Up>
UC1 über Diode D1 den Kondensater C1 aufgrund der Rückführung der Spannung U01 über
den FET V4 und die Diode D2 zum invertierenden Eingang von V1 auf. Mit Widerstand
115, welcher durch FET V5 dynamisch vergrößert wird, wird ein nahezu konstanter
Strom durch D2 und V4 so eingestellt, daß sich die Temperaturabhängigkeit der Gate-
Source- Spannung von V4 und der Durchlaßspannung von D2 kompensieren.
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Während der Ladezeit ist die Ausgangsspannung U1 von V1 positiv, transistor
V2 ist durchgesteuert und das Steuersignal S ist logisch 0. Wenn die Spannung Up
nach dem Erreichen eines Scheitelwertes wieder absinkt, wird die Ausgangsspannung
U1 von V1 aufgrund der oben beschriebenen Rückführung plötzlich negativ, V2 sperrt
und das Steuersignal S wird logisch 1. Der plötzliche negative Spannungssprung am
Ausgang von V1 verursacht über die Diodenkapazität von D1 eine Entladung des Kondensators
CI, was eine fehlerhafte arbeitsweise der Stufe ergeben kann. Durch den Kondensator
C2 wird die Entladung von C1 durch Einkoppeln einer entsprechenden positiven Ladungsmenge
aufgrund des positiven Spannungssprunges am Collector von V2, Steuersignal S, kompensiert.
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Die Referensspannung U2 am emitter von V2 wird mit den Dioden 116,
117 und Widerstand 168 erzeugt.
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FET V7> hat die Aufgabe, Kondensator C1 zu entladen, wenn der Meßvorgang
beendet ist und der Meßwert in Stufe 3 A/D- gewandelt und digital gespeichert ist
und angezeigt wird.
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Transistor 119, welcher durch anlegen eines logischen Signals 11a
über ein Netzwerk 120 bis 123 durchgesteuert wird, legt <las
Potential
von S auf logisch 0 fest, wodurch die Scheitelerkenr3ungsstufe 6 unwirksam wird,
siehe Zeile 3 in Figur 11, es wird in diesem Fall der Durchschlagwert gemessen.
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Die Tiefpaßglieder 107 bis 114 halten transiente Spannungen in der
versorgungsspannung vollen elektronischen Bauelementen fern.
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figur 18 zeigt die Stufen Durchschlagorkennung 7 und Logik 9.
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Die zu messende Spannung Ue wird in diesem Ausführungsbeispiel ilber
Kondensator C6 an die beiden FET- Schalter 98 und 99 gelegt, wobei zum Schutz gegen
Überspannungen der Überspannungsableiter 94 und der Widerstand 95 in Verbindung
mit zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden 96 und 97 wirksam sind. Je nach
logiscllem Zustand der Leitungen 10pos und 10neg wird entweder FET 98 oder FET 99
durchgeschaltet und das durch C6 differenzierte Eingangs-Signal wird über zwei weitere
differenzierende Glieder C4, R4 bzT. »5, R5 entweder an den nichtinvertierenden
oder an den invertierenden Eingang von Verstärker V8 gelegt, welcher als Komparator
geschaltet ist. Eine über Widerstand R3 zugeführte positive Spannung sorgt für einen
definierten Ruhezustand der Ausgangsspannung D von V8 entsprechend logisch 0.
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erfolgt in der Meßspannung Ue ein schneller Spannungszusammenbruch,
so überträgt sich dieser weitgehend ungeschwächt über die differenzierenden Glieder
dem jeweils angeschalteten Eiiigang Voll V8 und bei richtiger Polaritatswahl durch
Leitung 10 wird - nll D kurzzeitig logisch 1, wodurch über Gatter 104 und 105 das
Steuersignal ST ebenfalls logisch 1 wird und die biolge-Haltestufe 2 in den Zustand
halten schaltet. Gleichzeitig wird FF. 101 (FF = Flip- Flop) gesetzt und hält über
104 und 105 das Steuersignal ST auf logisch 1.
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Figur 12 zeigt den sequentiellen Meßablauf bei Messung des Scheitelwertes
einer impulsförmigen Spannung. Überschreitet die Spannung Ue und somit die Spannung
Up einen mit widerstand 82 und ntentiometer 83 einstellbaren Schwellwert, schaltet
Komparator 84 und dessen Ausgang B wird logisch 0, wodurch Pt 88 (rre - Monoflop)
über das Netzwerk 85, 86 angestoßen wird, , die Mippzeit von MF 88 begrenzt die
Zeitdauer der Messung im Ausführungsbeispiel auf 7 msec. Hierdurch ist auch die
Messung des
Scheitelwertes einer 50 Hz Wechselspannung ohne systembedingten
Schleppfehler möglich. Gleichzeitig wird FF 93 rückgesetzt, § wird logisch 1, wodurch
FF 107 und Gatter 1o4 freigegeben wird, FET V3 sperrt und gibt somit die Stufe Scheitelerkennung
6 frei.
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Bei erreichen des Scheitelwertes wird S logisch 1, wodurch MF 1o2
anf;estoßen wird. Nach -Ablauf der Kippzeit. von F:F 102 wird über Gatter 102 Signal
S' und ebenso das Steuersignal ST logisch 1, wodurch die Folge-Halte-Stufe 2 in
den Zustand Halten geschaltet wird. Nach Ablauf der Kippzeit von riF 88 wird einerseits
MF 89 angestoßen, wodurch Signal TR kurzzeitig logisch 0 wird und Stufe 3 getriggert
wird, welche den Spannungswert Ua digitalisiert, speichert und anzeigt und anderenseits
iF 9o angestoßen, dessen Kippzeit gleich der Umsetzzeit des A/D- Wandlers in Stufe
3 gewählt wird und im Ausführungsbeispiel 2 msec. beträt. Für diese Zeit wird die
Folge-, talte-Stufe 2 mit Steuersignal ST über Gatter 1o4 und 105 in den Zustand
halten geschaltet.
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Nach Ablauf der Kippzeit von MF 9o wird FF 93 gesetzt, R ird logisch
0 und der automatische Meßablauf ist beendet, der Meßwert wird am Display 3 kontinuierlich
angezeigt, 'F lol wird gegebenenfalls rückgesetzt. satter Io4 wird gesperrt, wodurch
das Steuersignal ST logisch. 0 wird und somit die Folge-Halte-Stufe in folgen geschaltet
wird. FET V3 steuert durch und entlädt Kondensator C1, die Stufe Scheitelerkennung
6 ist; gesperrt.
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Bei Messung des Scheitelwertes einer in der Stirn abgeschnittenen
Blitzstoßspannung wird das Steuersignal ST, welches die Folge-Kalte-Stufe 2 in halten
schaltet, von der Durchschlagerkennungsstufe 7, Signal D, erzeugt, da die Scheitelerkennungsstufe
6 wegen ihrer begrenzteren Bandbreite zu langsam reagiert. Die Signallaufzeiten
von Durchschlagerkennung7und Logilc 9 und der Folge-Ualte-Stufe 2 werden durch die
Signallaufzeit der Verzögerungsleitung 1 so kompensiert, daß das Haltesignal in
der Folge-Halt -Stufe wirksam wird, unmittelbar bevor der Spannungszusammenbruch
am Speicherkondensator Cl, der Folge-Halte-Stufe 2 in Erscheinung tritt.
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L e e r s e i t e