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Getakteter Servoverstärker für den Betrieb
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eines Gleichstrommotors Die Erfindung betrifft einen getakteten Vierquadranten-Servoverstärker
zur Stromregelung für den Betrieb eines Gleichstrommotors, insbesondere eines kollektorlosen
Gleichstrommotors.
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Getaktete Verstärker, insbesondere mit Darlington-Endstufentransistoren
ausgestattete Verstärker, bereiten Schwierigkeiten, wenn man den Istwert des Gesamtstroms
kontinuierlich erfassen will, wie dies für den Vierquadranten-Stromreglerbetrieb
notwendig ist. An einem außerhalb der Endstufe liegenden Strommeßwiderstand läßt
sich nur während der Einschaltphase der Endstufentransistoren die exakte Größe des
Iststroms erfassen. Während der Ausschaltphase der Endstufen transistoren ist der
durch den Strommeßwiderstand fließende Strom aber praktisch gleich Null, da während
dieser Zeit der in der Induktivität der Motorwicklungen gespeicherte Strom über
interne Freilaufdioden der Endstufentransistoren fließt. Außerdem ist die Impulshöhe
am Stromwidrstand nur ein Maß für den Betrag des Stromes, nicht aber für dessen
Vorzeichen oder Richtung.
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Für einen qualitativ weniger anspruchsvollen Einquadranten-Stromregler
kann man den in eine pulsierende Spannung umesetzten Strom über ein RC-Glied glätten
und als nStromi.stwert' für den Stromregler benutzen. Dieses Vorgehen hat aber den
Nachteil, daß als gemessener Istwert eine Größe erhalten wird, die lediglich näherungsweise
dem Mittelwert des wahren Motorstroms entspricht. Weil dabei ferner nur eine den
Betrag des Stromes darstellende Größe gewonnen wird, ist es unmöglich, nach diesem
Prinzip einen Vierquadrantenregler aufzubauen.
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Eine weitere Möglichkeit der Erfassung des Motorstroms besteht darin,
bei einer H-Brücke in jedem Brückenzweig einen Strommeßwiderstand vorzusehen und
die beiden an den Strommeßwiderständen abfallenden pulsierenden Spannungen jeweils
auf den invertierenden und nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers
zu geben. Am Ausgang des Operationsverstärkers steht dann eine dem Motorstrom proportionale
Spannung zur Verfügung. Dabei müssen jedoch verschiedene Nachteile in Kauf genommen
werden. So müssen beide Brückendiagonale immer abwechselnd geschaltet werden. Soll
am Motor keine Spannung liegen, muß das Tastverhältnis 1:1 sein. Außerdem läßt sich
diese Art der Stromerfassung nur bei Kollektormotor-Servoverstärkern einsetzen,
die mit einer H-Brücke aufgebaut werden können. Bei kollektorlosen Motoren muß dagegen
ein Mehrphasen-Endverstärker verwendet werden, der diese Art der Stromerfassung
nicht erlaubt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zu schaffen, die einen genauen Vierquadranten-Stromregelbetrieb auch bei kollektorlosen
Gleichstrommotoren
gestattet, auch bei einem Dreiphasenmotor mit
einem einzigen Strommeßwiderstand auskommt und nicht auf ein Tastverhältnis von
1:1 beschränkt ist, wenn am Motor keine Spannung liegen soll.
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Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 auf überraschend einfache und wirkungsvolle Weise gelöst. Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Erläuterung von bevorzugten Ausführungsformen.
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Wie aus der nachstehenden Erörterung der Ausführungsbeispiele im einzelnen
folgt, leitet die Schaltungsanordnung nach der Erfindung aus dem vorzugsweise über
einen allen Halbbrücken gemeinsamen Meßwiderstand erfaßten impulsförmagen Endstufenstrom
eine Spannung ab, die dem Motoriststrom nach Betrag und Polarität entspricht und
die als Istwert für einen qualitativ hochwertigen Vierquadranten-Stromregler benutzt
werden kann.
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In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild
einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Dreiphasen-Gleichstrommotors mit Vierquadranten-Servoverstärker,
Fig. 2 ein Blockschaltbild, das Einzelheiten des Vierquadranten-Stromregelverstärkers
der Anordnung nach Fig. 1 erkennen läßt,
Fig. 3 ein Prinzipschaltbild
des Vierquadranten-Stromregelverstärkers gemäß einer ersten Ausf.ührungsform der
Erfindung, Fig. 4 ein Prinzipschaltbild, das Einzelheiten der Endstufe der Schaltungsanordnung
nach-Fig. 1 veranschaulicht, Fig. 5 ein Schaltbild eines Teils der H-Schaltung der
Endstufe gemäß Fig. 1, Fig. 6 ein Schaltbild des Vierquadranten-Stromregelverstärkers
gemäß Fig. 3, und Fig. 7 eine abgewandelte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
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Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist ein kollektorloser Dreiphasengleichstrommotor
10 dargestellt, dessen Wicklungen aus einem Vierquadranten-Servoverstärker 11 mit
Strom beaufschlagt werden. Dem Servoverstärker 11 ist ein als PI-Regler ausgelegter
Regel verstärker 12 vorgeschaltet. Die Drehstellung des Rotors des Motors 10 wird
von einem Zweiphasen-Analog-Encoder 13 erfaßt, der über einen Tachokonverter 14
den Regel verstärker 12 ansteuert. Der Servoverstärker 11 besteht aus zwei Hauptbaugruppen,
und zwar cinem Vierquadranten-Stromregelverstärker 15 und einer Vierquadranten-Dreiphasen-Endstufe
16. Die Endstufe 16 ist als H-Brückenschaltung ausgelegt und stellt die Energieversorgung
für den Motor 10 bereit.
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Der Vierquadranten-Stromregelverstärker 15 weist, wie aus Fig. 2 hervorgeht,
einen Motorstrom-Meßverstärker 17, einen als PI-Regler ausgelegten Stromregelverstärker
18 und einen ,1nalOg/Digital-Wandler in Form eines Impulsbr.eitenmodulators 19 auf.
Der Meßverstärker 17 gewinnt aus dem zerhackten Motor-Iststrom einen analogen, vorzeichenrichtigen
Strom-Istwert zurück. Der Stromregelverstärker 18 vergleicht den zurückgeführten
Strom-Istwert mit einem von dem Lage-Geschwindigkeits-Regelverstärker 12 kommenden
Strom-Sollwert und gibt ein entsprechendes Differenzsignal auf den Impulsbreitenmodulator
19. Der Modulator 19 bereitet aus dem analogen Differenzsignal zwei digitale Signale
zur Steuerung der Endstufe 16 auf.
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Fig. 3 läßt weitere Einzelheiten des Vierquadranten-Stromregel verstärkers
15 entsprechend einer ersten Ausführungsform erkennen. Der Menverstärker 17, der
aus dem über eine Leitung 43 einlaufenden pulsierenden, amplitudenmodulierten Meßsignal
des Motorstroms einen analogen, vorzeichen- und größenrichtigen Motor-Iststromwert
zurückgewinnt, weist einen Verstärker 22 auf, der das Strombetragssignal des Motors
zunächst verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 geht einem Inverter 23
zu, der einen Verstärkungsfaktor von -1 hat. Zum anderen wird das Ausgangssignal
des Verstärkers 22 auf einen elektronischen Schalter 24 gelegt.
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Das Ausgangssignal des Inverters 23 geht an einen elektronischen Schalter
25. Die beiden Schalter 24, 25 werden im Betrieb über Steuerleitungen 26, 27 abwechselnd
in der Weise aktiviert, daß immer dann, wenn die Endstufe 16 eingeschaltet ist,
einer der beiden Schalter entsprechend
einem über eine Leitung
28 laufenden Vorzeichensignal der Endstufe aktiviert ist. Auf diese Weise entsteht
an einem Speicherkondensator 29 ein dem wahren Motorstrom proportionaler, vorzeichen-
und betragsrichtiger MotoTstrom-Istwert. Zur Aufbereitung der Signale auf den Steuerleitungen
26, 27 dient eine Logikschaltung, die aus einem Inverter 30 und zwei UND-Gliedern
31, 32 besteht.
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Die Logikschaltung 30, 31, 32 verwertet die über eine Leitung 33 vom
Impulsbreitenmodulator 19 kommenden, den Betrag des Motorstroms bestimmenden Signale
und die über die Leitung 28 vom Impulsbreitenmodulator 19 angelieferten, der Richtung
des Motorstroms entsprechenden Signale derart zu zwei getakteten Signalen für die
Schalter 24, 25, daß das dem wahren Motorstrom proportionale Stromsignal auf einer
Leitung 34 erzeugt wird.
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Zum Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung sei auf
die Fign. 4, 5 und 6 Bezug genommen. Dort ist ein Strommeßwiderstand 35 veranschaulicht,
an dem im Betrieb des Motors eine rechteckförmige Spannung abfällt, wobei das obere
Dach der einzelnen Rechtecksignale leicht abgeschrägt ist, wie dies im rechten unteren
Teil der Fig.6 angedeutet ist. Die Amplitude dieses zerhackten Signals ist proportional
dem in den Wicklungen 36, 37, 38 des Motors 10 fließenden Strom. In den Lücken zwischen
den am Strommeßwiderstand 35 abfallenden Iststrom-Signalen fließt im Motor gleichfalls
ein Strom, der aber vom Meßwiderstand 35 nicht erfaßt wird, weil er über Freilaufdioden
39, 40 (Fig. 6) geht, die in Darlington-Endstufentransistoorgruppen 41, 42 integriert
sind. Das an dem Meßwiderstand 35 auftretende, zerhackte Signal, dessen Amplitude
proportional dem Motorstrom ist, läßt nicht
die Richtung des Stroms
im Motor erkennen. Für einen Vierquadrantenregler ist aber ein in der Phase und
in der Grösse richtiges Stromsignal erforderlich. Der Rückgewinnung dieses Signals
dient der Meßverstärker 17. Das am Meßwiderstand 35 abfallende, über die Leitung
43 laufende Signal wird über den Verstärker 22, den Inverter 23 sowie die Schalter
24, 25 auf den Kondensator 29 geschaltet.
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Das Ausgangssignal des Kondensators 29 übernimmt dabei zunächst die
Dachschräge der Rechteckimpulse auf der Leitung 43. Wenn der betreffende Schalter
24 oder 25 wieder öffnet, erfolgt eine Teilentladung des Kondensators 29 über nicht
veranschaulichte Entladewiderstände, so daß ein dreieckförmiges Iststrom-Signal
entsteht, wie es oberhalb der Leitung 34 in Fig. 3 angedeutet ist. Dieses Signal
entspricht dem wahren Motor-Iststrom, der tatsächlich ebenfalls mehr oder minder
dreieckförmig ist. Wenn der Motor 10 in der entgegengesetzten Richtung läuft, was
durch das Richtungs- oder Vorzeichensignal auf der Leitung 28 kenntlich ist, springt
die Polarität des Signals auf der Leitung 34 in der in Fig. 3 angedeueteten Weise
um.
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Der dem wahren Motorstrom proportionale, vorzeichen- und betragsrichtige
Istwert auf der Leitung 34 wird an einer Vergleichsstelle 45 mit dem vom Regel verstärker
12 kommenden, über eine Leitung 46 laufenden Strom-Sollwert verglichen. Die Differenz
zwischen Soll- und Istwert wird über den Stromregelverstärker 18 verstärkt. Dieser
Verstärker besteht gemäß Fig. 6 aus einem Operationsverstärker 47 und einem für
das gewünschte Proportionall Integral-Verhalten sorgenden Rückkopplungsglied 48.
Das
auf eine Leitung 50 gehende analoge Ausgangssignal des Stromregelverstärkers
18 wird in einer Analog/Digital-Wandlerstufe 51 mit einem Dreiecksignal verglichen
und dann über Schwellwertschalter zerhackt, wobei nur der Betrag des Signals interessiert.
Die Polarität des Ausgangssignals auf der Leitung 50 wird über einen Schmitt-Trigger
52 festgestellt. Die Baugruppen 51, 52 werden durch einen Oszillator 53 mit einem
Tastverhältnis von 1:1 angesteuert. Das getaktete Signal auf der Leitung 33 gibt
damit--ver, welchen Betrag der in dem Motor 70 fließende Strom haben soll, während
das Signal auf der Leitung 28 bestimmt, in welcher Richtung dieser Strom fließen
soll. Der Oszillator 53 erzeugt Sägezahnsignal£ f und f, die um genau 180° gegeneinander
phasenverschoben sind und ein Tastverhältnis von 1:1 haben. Die Signale f und f
werden über Leitungen 54, 55 an die Wandlerstufe 51 angelegt. Der Oszillator 53
synchronisiert ferner mit einem über eine Leitung 56 gehenden Signal 2f den Schmitt-Trigger
52, um unkontrollierte Schwingungen auszuschließen, wenn die Ausgangsspannung zu
Null wird.
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Eine Drehrichtungsumkehr kann infolgedessen nur in Synchronismus
mit dem Takt stattfinden.
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Fig. 6 zeigt Einzelheiten der in Fig. 3 veranschaulichten Baugruppen
des Vierquadranten-Stromregelverstärkers 15.
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Das von der Leitung 34 kommende Ausgangssignal des als Iststrom-Rückgewinnungseinrichtung
wirkenden eßverstärkers 17 wird über Widerstände 58, 59 mit dem externen Steuersignal
auf der Leitung 46 verglichen. Das Differenzsignal wird mittels des Operationsverstärkers
47 auf proportional/integralwirkende Art verstärkt. Für diesen Zweck weist das Rückkopplungsglied
48 des Verstärkers 47 einen
Widerstand 60 und Kondensatoren 619
62 auf. Dioden 63 sind vorgesehen, um das Ausgangssignal zu begrenzen. Die Dioden
63 verhindern eine Übersteuerung des Verstärkers 47.
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Der Eingang des Operationsverstärkers 47 übernimmt dabei die Funktion
der Vergleichsstelle 45 in Fig. 3. Das am Ausgang 64 des Operationsverstärkers 47
auftretende Signal wird über die Leitung 50 an Schwellwertschalter 65, 66 und 67
angelegt. Der Schwellwertschalter 65 dient dem Ermitteln des Vorzeichens des Signals
am Ausgang 64; d.h.
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der Schwellwertschalter 65 vergleicht dieses Signal mit dem Null-Pegel,
um festzustellen, ob das Signal über oder unter dem Null-Pegel liegt, also positiv
oder negativ ist.
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Das Signal am Ausgang 64 geht dem invertierenden Eingang 68 des Schwellwertschalters
66 und dem nichtinvertierenden Eingang 69 des Schwellwertschalters 67 zu. Gleichzeitig
werden an den jeweils anderen Eingang 70, 71 der Schwellwertschalter 66, 67 Dreiecksignale
über Leitungen 72, 73 angelegt. Diese Dreiecksignale werden von dem Oszillator 53
erzeugt, der eine selbstschwingende Oszillatorstufe 74 aufweist. Weil aufgrund von
Bauteile-Toleranzen das am Ausgang 75 der Oszillatorstufe 74 auftretende Signal
in der Regel nicht ganz symmetrisch ist, für die Aussteuerung der Schwellwertschalter
66, 67 aber eine symmetrische Dreieckspannung benötigt wird, erfolgt mittels eines
Flipflops 76 eine Teilung des Signals am Ausgang 75 durch zwei. Auf diese Weise
werden an den Ausgängen 77, 78 des Flipflops 76 zwei exakt symmetrische Ausgangssignale
erhalten. Diese Ausgangssignale laufen über einen Tiefpaß 79 bzw. 80, wodurch die
rechteckförmagen Signale an den Ausgängen 77, 78 in annähernd sägezahnförmige Spannungen
auf den Leitungen 72, 73 umgewandelt werden. Dabei stellt sich der Nullpunkt der
sägezahnförmigen
Spannungen immer in die Mitte ein, weil das Flipflop
76 stets exakt von Null nach positiven Werten bis zur Bezugsspannung und wieder
zurück schwingt. Die Dreiecksignale auf den Leitungen 72, 73 werden in den Schwellwertschaltern
66, 67 mit dem Signal am Ausgang 64 des Operationsverstärkers 47 verglichen, wodurch
an den Ausgängen 81, 82 der Schwellwertschalter 66, 67 zwei komplementäre Ausgangssignale
in Form von positiv gerichteten Impulsen erhalten werden. Diese Signale werden über
eine exklusive ODER-Schaltung 84 gemischt, um das Ausgangssignal auf der Leitung
33 zu bilden. Das die Form von positiven Stromimpulsen aufweisende Signal auf der
Leitung 33 bestimmt den Betrag des Motorstroms, wobei der Flächeninhalt, d.h. die
mittlere Fläche, der Stromimpulse dem Betrag des Fehlersignals am Ausgang 64 des
Operationsverstärkers 47 entspricht.
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Das Ausgangssignal des Schwellwertschalters 65 auf einer Leitung 85,
welches das Vorzeichen des Signals am Ausgang 64 beeinhaltet, wird über ein Flipflop
86 mit dem von der Oszillatorstufe 74 vorgegebenen Takt synchronisiert, um auch
bei sehr kleinem Steuersignal Schwingungserscheinungen zu vermeiden. Das Flipflop
86 bildet dabei zugleich den Invesrter 30 der Fig. 3.
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Die Endstufe 16 besteht entsprechend Fig. 4 aus einem Decoder 88 und
drei damit verbundenen Halbbrücken 89, 90 und 91. Letztere stehen ihrerseits mit
den drei Wicklungssträngen 92, 93 und 94 des Motors 10 in Verbindung. Bei 95 ist
schematisch der vorzugsweise dauermagnetische Rotor des Motors 10 angedeutet. Dem
Rotor 95 ist der Encoder 13 zugeordnet,
der eine Drehstellungsdetektorgruppe
aufweist, bei der es sich vorzugsweise um drei in den Motor integrierte liallgeneratoren
oder Hall-ICs handeln kann. Der Decoder 88 hat die Aufgabe, die über die Leitungen
28 und 33 einlaufenden Signale in Abhängigkeit von den Drehstellungsdetektor-Ausgangssignalen
auf den Leitungen 97, 98, 99 so auf die Halbbrücken 89, 89, 91 zu verteilen, daß
sich der Motor 10 in der gewünschten Richtung dreht.
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Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung. Während
bei der zuvor erläuterten Ausführungsform das Steuersignal für die Endstufe 16 in
ein Drehrichtungs-oder Vorzeichensignal und ein Betragssignal aufgeteilt wird, arbeitet
die abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 7 mit einem Linkssignal und einem Rechtssignal,
die pulsieren, wobei das Tastverhältnis um so größer wird, je mehr nach rechts bzw.
nach links gedreht oder je stärker das Drehmoment werden soll. Es sind also zwei
getaktete Signale vorgesehen, wobei im Nbrmalbetrieb das eine Signal nicht getaktet
ist und das andere taktet oder umgekehrt. In der Nullstellung, d.h. dann, wenn sich
der Motor nicht bewegen soll, ist es günstig, beide Signale zu takten, um auf diese
Weise im Umkehrpunkt eine kleine Hysterese zu erhalten. Das pulsierende Iststrom-Signal,
das nur den Betrag des Motorstroms erkennen läßt, wird wiederum an dem Strommeßwiderstand
35 abgenommen. Das Signal am Widerstand 35 wird mittels des Operationsverstärkers
22 verstärkt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 22 geht auf den Inverter
23. Das nichtinvertierte und das invertierte Ausgangssignal des Operationsverstärkers
22 werden den Schaltern 24 bzw. 25 zugeführt, die über die Steuerleitungen 26, 27
mit dem einen
bzw. dem anderen Endstufensteuersignal beaufschlagt
sind, die vorliegend mit R (rechts) bzw. L (links) bezeichnet sind. Auf diese Weise
wird entweder der Schalter 24 oder der Schalter 25 pulsweise eingeschaltet. An dem
den Schaltern 24, 25 nachgeschalteten Speicherglied (Kondensator) 29 entsteht wieder
ein phasenrichtiges Iststrom-Signal. Dieses Iststrom-Signal gelangt über die Leitung
34 zum Stromregelverstärker 18. Das Ausgangssignal des Stromregelverstärkers 18
wird über Widerstände 101, 102 mit einem aus einem Dreiecksignal-Generator 103 kommenden
Dreiecksignal zusammenaddiert und dann auf zwei Schwellwertschalter 105, 106 gegeben.
die zusammen mit dem Dreiecksignal-Generator 103 den Impuls-breitenmodulator 19
(Fig. 2) bilden. Dabei geht das Signal von den Widerständen 101, 102 über eine Leitung
107 an den invertierenden Eingang des Schwellwertschalters 105 und den nichtinvertierenden
Eingang des Schwellwertschalters 106. Der jeweils andere Eingang der Schwellwertschalter
105, 106 ist über Potentiometer 108 bzw. 109 auf einen Bezugspegel gelgt. Infolgedessen
schaltet der eine Schwellwertschalter nur oberhalb einer gewissen Signalamplitude
und der andere nur unterhalb einer gewissen Signalamplitude. Auf diese Weise werden
die beiden Ausgangssignale R und L gebildet, die zusammen mit den Drehstellungsdetektorsignalen
auf Leitungen 110, 111, 112 an den Decoder'88 gehen. Der Decoder 88 ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel als ROM-Speicher ausgelegt. Er läßt sich grundsätzlich aber
auch aus logischen Bauelementen, wie UND-, ODER-, NAND- bzw. NOR-Schaltungen, aufbauen.
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An den Decoder 88 sind wiederum die Halbbrücken 89, 90 und 91 angeschlossen.
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L e e r s e i t e