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Relaisanordnung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Relaisanordnung mit einem Oszillatorkreis
als Eingangskreis, mit einem piezoelektrischen Schwinger als frequenzbestimmendes
Element, einem Rückkopplungskreis für den Oszillatorkreis und einem davon galvanisch
getrennten Ausgangskreis, bei der sowohl der Rückkopplungskreis als auch der Ausgangskreis
mit Elektroden versehene piezoelektrische Elemente enthalten, die an den Schwinger
des Oszillatorkreises durch akustische Wellen angekoppelt sind, und bei der alle
piezoelektrischen Elemente in einem einzigen Körper aus piezoelektrischem Material
gebildet sind.
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Es gibt viele Relais- und Fernsteueranwendungen, bei denen ein elektrisches
Eingangssignal von einer Schaltung isoliert werden muß, die durch das Signal gesteuert
wird. Für eine wirkungsvolle Arbeitsweise einer solchen Anordnung muß diese kompakt
und stabil sein und soll einen hohen Grad von elektrischer Isolation zwischen Eingang
und Ausgang aufweisen.
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In den letzten Jahren sind piezoelektrische Materialien verfügbar
geworden, welche einen hohen Wirkungsgrad haben und die sich besonders zum Aufbau
von Wandlerelementen eignen.
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Gemäß der Erfindung enthält der ferngesteuerte Signalkreis einen Eingangskreis
mit einem bipolaren Translstor-Kristalloszillator bei dem der Kollektorausgang und
der Basisemitterkreis an eine erste bzw. zweite Zone eines piezoelektrischen Kristallwandlers
angeschlossen sind, und wobei der Ausgangsschaltkreis an eine weitere Zone des Wandlers
angekoppelt ist , wobei ein Teil des Wandlers anschließend an die erste und zweite
Zone das frequenzbestimmende Element und die positive Rtckkopplungsschleife für
den Oszillator ergeben und bei dem der Wandler eine elektrische Isolation und eine
akustische Kopplung zwischen dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis bildet. Die
Relaisanordnung gemäß der Erz in dung hat vorzugsweise ein Gehäuse mit. Eingangs-
und Ausgangsanschlüssen, einen Körper aus isolierendem piezoelektrischem Material,
der mit seinen Schwingungsknoten im Gehäuse montiert ist und mit Eingangs- und Ausgangselektroden
versehen ist, einen Transistor-Oszillatorkreis, der zwischen die Eingangsanschlüsse
und die Eingangselektroden gekoppelt ist, und einen Ausgangsschaltkreis, der zwischen
die Ausgangselektroden und die Ausgangsanschlüsse geschaltet ist, wobei der piezoelektrische
Körper das frequenzbestimmende Element enthält und die positive Rtckkopplungsschleife
für den Oszillator, und wobei die akustischen Signale, die in dem piezoelektrischen
Körper induziert werden und in Form von elektrischen Signalen durch die Ausgangselektroden
empfangen werden, mittels des Aus.gangsschaltkreises eine änderung der Impedanz
an den Ausgangsanschlüssen bewirkt wird.
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Die Erfindung soll anhand der Figuren näher beschrieben werden.
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Figur 1 zeigt eine piezoelektrisch isolierte Relaisanordnung gemäß
der Erfindung.
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Die Figuren la und ib zeigen abgewandelte Eingangskreise für die Relaisanordnung
nach Figur 1.
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Die Figuren 2a und 2b zeigen verschiedene Spannungsvervielfacher-Ausgangskreise
zur Verwendung bei der Anordnung nach Figur 1.
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Figur 3 zeigt eine weitere Relaisanordnung gemäß-der Erfindung.
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Figur 4 zeigt eine Relaisanordnung zur Verwendung für relativ hohe
Belastung.
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Die Figuren 5a bis 5d zeigen verschiedene Formen des piezoelektrischen
Wandlers.
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Die Figuren 6a bis 6c zeigen verschiedene Kopplungsarten zwischen
dem Eingang und dem Ausgang des Wandlers.
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Figur 7 zeigt eine piezoelektrisch isolierte Stronversorgungsanordnung.
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Figur 8 zeigt eine Signalkoppleranordnung.
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Figur 9 zeigt eine lineare Koppleranordnung.
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Die in Figur 1 dargestellte Anordnung wird verwendet zum isolierten
Schalten einer Wechselstrom- oder Gleichstromlast. Die Schaltung enthält eine Eingangsoszillatorstufe
11, von der akustische Signale in einem piezoelektrischen Wandlerelement 12 erzeugt
werden, welches beispielsweise aus PZT-Keramikmaterial besteht. Die akustischen
Signale werden über das Element 12 zur Ausgangsschaltstufe 13 übertragen.
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Die Eingangsstufe 11 besteht aus einem Transistor-Krlstalloszillator.
Ein Teil des Kristalle 12 erzeugt die erforderliche positive Rückkopplung und bildet
das frequenzbestimmende Element. Der Eingangskreis wird durch Anlegen einer Gleichspannung
an die Anschlüsse T1 und T2 geschaltet, wobei der Kondensator Cl eine Glättung der
Eingangsspannung bewirkt. Die Widerstände R1 und R2 erzeugen eine solche Vorspannung
für einen NPN-(PNP)-Transistor TR1, daß er im linearen Bereich arbeitet.
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Kollektor und Emitter des Transistors TR1 sind an die aufmetallisierten
Elektrodenzonen E2A und E2B auf der Kristalloberflche angeschlossen. Mittels dieser
Elektrodenzonen wird das Kollektorspannungssignal in Kri° stallspannungen umgewandelt.
Diese Spannungen breiten sich als akustisches Signal durch den elektrisch isolierenden
Kristall aus und werden an den Ausgangselektroden E3A und E3B sowie an den Rückkopplungselektroden
E1A und E1B wieder in elektrische Signale zurückverwandelt.
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Die Elektroden E1A und E1B sind an den Basis-Emitterübergang des Transistors
TR1 angeschlossen und ergeben eine positive Rückkopplung für das Kollektorsignal
und
bewirken weiter, daß der Eingangskreis bei einer Frequenz schwingt,
die durch die Abmessungen und die Eigenschaften des Kristalls 12 bestimmt ist. Die
Elektrodengeometrie und die Kristallgeometrie können so gewählt werden, daß eine
optimale akustische Kopplung zwischen den Eingangselektroden E2A und E2B und den
Ausgangselektroden E3A und E3B vorhanden ist.
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Der Ausgangskreis 13 kann einen einfachen Schalterkreis enthalten,
bei dem das von dem Kristall 12 kommende Ausgangssignal an der Steuerelektrode eines
Triac TR2 anliegt, wobei die Last L, deren elektrischer Strom geschaltet werden
soll, im Anodenkreis des Triac liegt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind Eingangs- und
Ausgangskreis als Filmschaltungen ausgebildet, die jeweils auf einem Ende des Wandlers
12 angeordnet sind.
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Figur la zeigt einen abgewandelten Eingangskreis, bei dem ein zusätzlicher
Widerstand R1A in Reihe mit dem Widerstand R2 liegt, so daß die Relaisanordnung
über einen größeren Bereich der Eingangsspannung arbeiten kann. Die Eingangsspannung
liegt am Eingang 1 und am gemeinsamen Eingang, wenn es sich um relativ hohe Spannungen
handelt, und am Eingang 2 und am gemeinsamen Eingang, wenn es sich um verhältnismäßig
niedrige Spannungen handelt.
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Figur 1 b zeigt einen Eingangskreis, bei dem eine erhöhte Steuerempfindlichkeit
dadurch erreicht wird, daß eine getrennte Stromversorgung für den Oszillatorkreis
vorgesehen ist. Ober den Steuereingang wird der Oszillatorkreis dann nur gesteuert
und nicht gleichzeitig mit Strom versorgt.
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Figur 2a zeigt eine mögliche Spannungsvervielfacheranordnung zur Verwendung
bei der Anordnung nach Figur 1.
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Die Elektroden E3A und E3B sind an eine übliche Spannungsvervielfacherschaltung
aus Dioden und Kondensatoren angeschlossen9 wobei die Ausgangsanschlüsse 0 und P
der Vervielfacherschaltung an die Last L angeschlossen sind.
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Figur 2b zeigt eine andere Spannungsvervielfacheranordnung Bei dieser
Anordnung sind mehrere Ausgangselektroden E3A,E4A, ESA und E3B, E4B, E5B am Ausgangsende
des Wandlerkrlstalls vorgesehen Die Elektroden sind miteinander - wie dargestellt
- verbunden, so daß sich ein summiertes Ausgangssignal ergibt.
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Die Relaisanordnung nach Figur 3 eignet sich besonders für das isolierte
Schalten von Lasten, die am Netz liegen. Wie zuvor enthält die Schaltung einen Eingangsoszillatorkreis
mit dem Transistor TR31 und den Widerständen R31 und R32; wobei der Oszillator an
den piezoelektrischen Kristall 12 über die Elektroden E31 und E32 und die gemeinsame
Erdungselektrode.E33 angeschlossen ist. Das über den Kristall übertragene elektroakustische
Signal wird von den Elektroden E34 und E37 der Ausgangsstufe empfangen.
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Die Ausgangs stufe enthält ein Paar von Thyristoren TH31 und TH32,
die antiparallel geschaltet sind und in Serie mit der zu schaltenden Last liegen.
Die Steuerelektrode jedes Thyristors TH31 und TH32 erhält ihre Vorspannung durch
einen entsprechenden Widerstand R31 und R32 und ist jeweils an die Ausgangselektrode
E35 bzw. E36 angeschlossen.
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Die Anordnung ist zum Schalten von Wechselströmen bestimmt. Wenn ein
elektroakustisches Signal über den Kristall 1 übertragen wird, schaltet das entsprechende
elektrische Signal, das an den Steuerelektroden der Thyristoren TH31 und TH32 anliegt,
den Thyristor in den leitenden Zustand um und infolge der antiparallelen Anordnung
der Thyristoren werden beide Halbwellen eines Wechselstromes durchgelassen bzw.
Gleichstrom jeder Polarität.
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Die Relaisschaltung nach Figur 4 ist zum Schalten von relativ hohen
Leistungen und/oder von induktiven Lasten, wie z.B. Elektromotoren, bestimmt. Der
Eingangskreis ist identisch mit dem der Relaisanordnung von Figur 3 und wird deshalb
nicht noch einmal beschrieben. Der Ausgangskreis enthält ein Paar von Thyristoren
TH41 und TH42, die antiparallel an den Ausgangsanschlüssen der Relaisanordnung liegen.
Die NPN-Transistoren TR41 und TR42 sind jeweils zwischen die Steuerelektrode und
die Kathode der Thyristoren TH41 bzw. TH42 geschaltet.
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Die Transistoren TR41 und TR42 erhalten ihre Vorspannung durch die
Widerstandskette mit den Widerständen R41, R42 und R43, die derart bemessen ist,
daß einer oder der andere der Transistoren abwechselnd leitend ist, wenn die Lastspannung
an den Ausgangsanschlüssen einen bestimmten Wert überschreitet. Um ein symmetrisches
Schalten der Transistoren TR41 und TR42 sicherzustellen, müssen die Vorspannungswiderstände
R41 und R42 möglichst gleiche Werte haben. Eine Sperrbelastung der Transistoren
wird durch die Dioden D41 und D42 verhindert.
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Wenn sich einer der Transistoren TR41 und TR42 im leiwenden Zustand
befindet, ist die entsprechende Steuerelektrode des Thyristors direkt mit der Kathode
verbunden, so daß ein Einschalten dieses Thyristors verhindert wird Auf diese Weise
kann ein Einschalten der Thyristoren nur bei relativ niedrigen Werten der Lastspannung
vorgenommen werden. Wenn die Lastspannung eine Wechselspannung ist, erfolgt ein
Schalten nur anschließend an den Nuildurchgang der Spannungswelle Die Widerstände
R44 und R45, die zwischen Steuerelektrode und Kathode der einzelnen Thyristoren
TH41 und Tfi42 geschaltet sind bilden einen Nebenschluß für den kleinen Strom, der
sich aus der Kapazität zwischen Anode und Steuerelektrode des Thyristors ergibt,
so daß ein unerwünschtee Einschalten des Thyristors durch diesen Strom verhindert
wird Figur 5a zeigt eine Ausführungsforin des Wandlers. Bei dieser Ausführungsform
des Wandlers werden zwei verschiedene Materialien verwendet. Die Endteile 51 des
Wandlers bestehen aus einem piezoelektrischen Material, jedoch der Mittelteil 53,
durch den die Wandlerschwingungen Gbertragen werden, besteht aus einem sehr gut
isolierenden Material mit geringer Permittivität Diese Anordnung ergibt einen hohen
Graden elektrischer Isolation zwischen Eingang und Ausgang des Wandlers.
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Für eine noch bessere Isolation kann eine elektrostatische und/oder
magnetische Abschirmung verwendet werden.
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Eine solche Anordnung ist in Figur 5b dargestellt. Wie
zuvor,
bestehen die Endteile 51 des Wandlers aus piezoelektrischem Material. Der Mittelteil
53 des Wandlers besteht aus einer elektrostatischen und/oder magnetischen Abschirmungszone,
die Endteile 51 sind vom Mittelteil 53 durch die isolierenden Zonen 54 mit niedriger
Permittivität, zwischen denen der Mittelteil 53 liegt, isoliert.
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Figur 5c zeigt eine weitere Wandlerkonstruktion, bei der der Wandler
aus einem einzigen Körper aus piezoelektrischem Material gebildet ist, bei dem der
Mittelteil 55 unpolarisiert ist. Dadurch erhält der Mittelteil einen hohen Widerstand
und eine niedrige Permittivität.
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Eine bevorzugte Form für den piezoelektrischen Wandler ist in Figur
5d dargestellt. Hier hat der Wandler die Form einer Scheibe und ist mit Eingangselektroden
E51 und E52 in der Mitte und mit c-förmigen Ausgangselektroden E53 bis E56 an oder
nahe dem Rande versehen. Die Scheibe wird in der Mitte gehalten, was dem Schwingungsknoten
entspricht.
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Es können verschiedene Kopplungsarten zwischen Eingang und Ausgang
des Wandlers verwendet werden. Diese sind in den Figuren 6a bis 6c dargestellt.
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Bei der Konstruktion von 6a wird eine Kopplung mit akustischen Volumenwellen
verwendet. Die Eingangselektroden 61 und 62 sind so angeordnet, daß sie eine Spannung
huber die Dicke des Substrates 12 erzeugen. Diese Spannung wandert durch das Volumen
des Materials und tritt an den Ausgangselektroden 63 und 64 als Dickenspannung auf.
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Figur 6b zeigt eine andere Aus£thrungs£orm, bei der die Kopplung durch
akustische Oberflächenwellen bewirkt wird.
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Bei dieser Anordnung sind sowohl die Eingangselektroden 65 und 66
als auch die Ausgangselektroden 67 und 68 als Kammelektroden ausgebildet. Die Eingangselektroden
erzeugen Spannungswellen im wesentlichen nur in der Oberfläche des Substrates 12
Um zu verhindern, daß störende Interferenzen mit Wellen auftreten, die von den Kanten
des Kristallen reflektiert werden, können eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen
benutzt werden: a) Es werden akustische Barrieren 51 und 52 um die Kanten des Kristalle
angeordnet Diese Barrieren absorbieren die Energie der Oberflächenwellen und eliminieren
praktisch die reflektierten Wellen.
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b) Konstruktive Maßnahmen gegen die reflektierten Wellen an den Kanten
des Kristalles. Dies wird durch sorgfältige Kontrolle der Geometrie des Kriställes
und der Elektroden erreicht.
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c) Es werden speziell geformte reflektierende Elektroden-Anordnungen
49 und 50 auf der Oberfläche des Substrates angeordnet, um eine konstruktive Interferenz
zu erzeugen Wenn das Substrat 12 selektiv polarisiert wird, ist es möglich, die
Elektrodenanordnung zu verbessern. So können bei der Anordnung nach Figur 1 die
Elektroden E1A und E2B miteinander verbunden werden, so daß sie eine einzige Elektrode
bilden.
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In Figur 6c ist eine weitere Kopplungsform dargestellt, welche eine
Kombination der beiden zuvor beschriebenen Kopplungsarten darstellt. Bei dieser
Ausführungsform haben die Eingangselektroden 53 und- 54 die übliche Flächenform
und induzieren Volumenwellen im Wandler 12.
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Die Ausgangselektroden 55 und 56 haben Kaminforin und sprechen auf
die Oberflächenkomponente der Volumenwellen an.
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Figur 7 zeigt die Verwendung der beschriebenen Wandlerkopplungstechnik
bei der Konstruktion einer piezoelektrisch isolierten Stromversorgung. Die Anordnung
ist zur Verwendung bei einer Wechselstromversorgung bestimmt, wobei der Wechselstrom
durch die Diode D71 gleichgerichtet wird und der gleichgerichtete Strom durch den
Kondensator C71 geglättet wird. Der geglättete Gleichstrom wird dann über den Widerstand
R71 dem Kristalloszillator mit dem Transistor TR71, dem Widerstand R72 und dem Wandlerkristall
12 zugeleitet.
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Die über den Wandler 12 übertragenen Schwingungen werden als Wechselstrsmsignal
im Ausgangskreis 73 erhalten, welcher Gleichrichterdioden D74A und D74B sowie einen
Glättungskondensator C73 enthält. Bei manchen Anwendungen können mehrere gegeneinander
isolierte Ausgangskreise vorgesehen sein.
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Die beschriebenen Anordnungen sind vorteilhaft in einem Kunststoffgehäuse
angeordnet, das Anschlüsse für die Eingangs-und die Ausgangskreise hat. Die Relaisanordnungen
nach den Figuren 3 und 4 eignen sich besonders hierfür.
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Die verkapselte Schaltung kann beispielsweise in einen Sockel einsteckbar
gemacht werden oder auf eine Schaltung§platte aufgelötet werden.
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Die Anordnung nach Figur 8 ist für Kopplungssignale zwischen Schaltungen
bestimmt, welche elektrisch gegeneinander isoliert sein müssen, z.B. in Computer-
und Fernmeldesystemen.
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Das positive Signal an den Eingangsanschlüssen wird in ein mit Wechselstrom
moduliertes Signal bei E4 und E5 umgewandelt. Dieses modulierte Signal wird durch
die Gleichrichterschaltung mit D81S D82, C81 und R81 demoduliert. Die Zeitkonstante
R81/C81 und die KristallErequenz bestimmen die Bandbreite des Systems.
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Es können auf dem Kristall weitere Elektroden angebracht werden, um
zusätzliche isolierte Ausgänge zu erhalten.
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Der Ausgangskreis kann entweder aus einer linearen Vorrichtung wie
z.B. einem bipolaren oder einem FET-Transistor, bestehen oder aus einer nicht linearen
Vorrichtung, wie z.B, einem steuerbaren Gleichrichter.
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Figur 9 zeigt einen linearen Kopplerkreis, bei dem die Ausgangsspannung
der angelegten Eingangsspannung entspricht. Die -Widerstände R2, R3 und der Transistor
T1 bilden den üblichen Versorgungskreis.
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E1 und E2 sind die Ausgangselektroden. D3, D4, R4 und C2 bilden das
gleichrichtende Ausgangsfilter. Der
Ausgang des Rückkopplungsfilters
ist so bemessen, daß er im wesentlichen den gleichen Wert hat wie der Kopplerausgang.
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IC1 ist ein Komperator oder ein Verstärker. Er stellt die Kopplersteuerung
so ein, daß die Rückkopplung und damit die Ausgangsspannung die gleiche ist wie
die Eingangsspannung.
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Die Dioden D3 und D4 und/oder D1 und D2 können durch die bekannten
amplitudenempfindlichen Schaltungen ersetzt werden, wie z.B. Spitzenwertdetektoren,
Effektivwertdetektoren usw. Die Bauelemente R1 und C1 und/oder R4 und C2 können
durch die bekannten Filter ersetzt werden.
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