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Stromversorgungsschaltung für Leuchtstoffröhren
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Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für Leuchtstoffröhren,
insbesondere in Handlampen, mit einem Spannungswandler zur Umwandlung einer niedrigen
Versorgungsgleichspannung in die Leuchtstoffröhren-Betriebsspannung, der einen Transformator
aufweist, dessen Primärwicklung über einen impulsförmig mit verhältnismäßig hoher
Frequenz angesteuerten Transistor an die Versorgungsgleichspannung angeschaltet
ist und dessen Sekundärwicklung die Leuchtstoffröhre speist.
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Da Leuchtstoffröhren eine wesentlich höhere Lichtausbeute als übliche
Glühlampen besitzen, werden sie nicht nur in ortsfesten Beleuchtungsanlagen mit
Netzbetrieb, sondern auch im mobilen Einsatz benutzt, beispielsweise in Handlampen
und in Wohnwagen. Bei einer Speisung aus dem Bordnetz von Kraftfahrzeugen oder mit
einer anderen niedrigen Gleichspannung, beispielsweise auch aus Batterien, ist es
jedoch erforderlich, die niedrige Versorgungsgleichspannung in eine Wechselspannung
umzuwandeln, deren Höhe ein Zünden und einen Betrieb der Leuchtstoffröhre ermöglicht.
Für diese Umwandlung verwendet man in bekannter Weise Ein- oder Gegentaktwandler
mit Transistoren, die die Primärwicklung oder -wicklungen eines Transformators periodisch
an die umzuwandelnde Gleichspannung anlegen. An der Sekundärwicklung kann dann abhängig
von der jeweiligen Windungszahl eine Wechselspannung der gewünschten Höhe entnommen
werden. Wählt man die
Wandlerfrequenz verhältnismäßig hoch, beispielsweise
oberhalb von 20 kHz, so kann der erforderliche Transformator klein und leicht ausgeführt
werden. Auch die Verluste bleiben niedrig.
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Versorgungsschaltungen der vorstehend beschriebenen Art erfüllen
ihre Aufgaben zufriedenstellend.
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Wenn jedoch mit Leuchtstoffröhren bestückte Handlampen in brand- und
explosionsgefährdeter Umgebung Verwendung finden sollen, beispielsweise im Untertage-Bergbau,
bei der Betankung von Flugzeugen und Schiffen sowie bei'Tankinspektionen, so muß
neben einer sicheren Konstruktion der Handlampe auch die Stromversorgungsschaltung
so ausgebildet sein, daß eine Gefährdung durch Brand, starke Erhitzung oder Funkenbildung
unter allen Betriebsbedingungen ausgeschlossen ist. Mit anderen Worten: Die Handleuchte
und ihre Stromversorgungsschaltung sollen eigensicher sein.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine eigensichere
Stromversorgungsschaltung für Leichtstoffröhren, insbesondere in Handlampen, zu
schaffen, die einen sicheren Betrieb in gefährlicher Umgebung auch an Versorgungsgleichspannungen
schwankender Höhe ermöglichen. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von
einer Stromversorgungsschaltung der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Ansteuerschaltung für den Transistor eine Regelschaltung enthält, die den
Betriebsstrom der Leuchtstoffröhre durch Änderung der Impulsbreite des Ansteuerpulses
für den Transistor innerhalb eines vorgegebenen Bereiches der Versorungsgleichspannung
im wesentlichen konstant hält, und ferner eine Überwachungsschaltung aufweist, die
die Ansteuerung des Transistors bei Überspannung und Kurzschluß an der Sekundärwicklung
des Transformators unterbricht.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß auch bei einem Betrieb bei unterschiedlichen
oder schwankenden Gleichspannungen keine Überhitzungs- oder sonstigen Gefährdungserscheinungen
auftreten und dabei immer die gleiche, optimale Helligkeit erzielt wird. Auch bei
einer Beschädigung der Leuchtstoffröhre, die zu einem sekundärseitigen
Kurzschluß
der Stromversorgungsschaltung oder auch einem unbelasteten Leerlauf führt, wird
die Sicherheit nicht gefährdet. Durch die Unterbrechung der Ansteuerung des Transistors
wird die Stromversorgungsschaltung auf der Sekundärseite stromlos, es findet also
eine automatische und schnelle Abschaltung statt.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So kann die Regelschaltung für den Betriebsstrom der Leuchtstoffröhre
eine Meßschaltung für den Spitzenwert des über den Transistor und die Primärwicklung
fließenden Primärstroms und eine Meßschaltung für den Betriebsstrom der Leichtstoffröhre
enthalten, wobei die von den Meßschaltungen gelieferten Meßwerte kombiniert einer
Schaltung zur Impulsbreitenregelung des Ansteuerpulses zugeführt werden. Da der
Spitzenwert des Primärstroms ein Maß für den Betriebsstrom der Leuchtstoffröhre
ist, kann schon unter Verwendung dieses Wertes der Betriebsstrom konstant gehalten
werden. Die direkte Erfassung des Betriebsstrom selbst ermöglich eine ergänzende
Regelung, insbesondere bei plötzlich auftretenden Überstromstößen beim Übergang
der Leuchtstoffröhre von der Glimm- in die Brennphase. Um nur solche plötzlichen
Änderungen zu erfassen, kann der Meßwert für den Betriebsstrom der Schaltung zur
Impulsbreitenregelung über einen Kondensator zugeführt sein.
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Eine zusätzliche Sicherung läßt sich dadurch erreichen, daß die maximale
Einschaltdauer des Transistors je Periode auf einen vorgegebenen Wert begrenzt ist.
Dadurch wird gleichzeitig die maximal mögliche Gesamtstromaufnahme, die bei der
niedrigsten Betriebsspannung auftritt, auf einen ungefährlichen Wert begrenzt.
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Um zu verhindern, daß beim Einschalten unzulässig hohe Werte von
Strömen oder Spannungen auftreten und dadurch die eingebauten Überwachungsschaltungen
die Handleuchte sofort wieder abschalten, kann eine beim Einschalten der Stromversorgungsschaltung
anlaufende Zeitschaltung vorgesehen sein, die die maximale Einschaltdauer mit einer
gegebenen Zeitkonstante auf den vorgegebenen
Wert ansteigen läßt.
Es findet dadurch ein "sanftes" Anlaufen statt.
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In zusätzlicher Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein,
daß die Überwachungsschaltung für die Sekundärspannung eine erste bistabile Schwellenwertschaltung
aufweist, die bei einer vorgegebenen Überspannung aus einem ersten in einen zweiten
Zustand kippt und sich dort selbst hält, und daß die erste Schwellenwertschaltung
im zweiten Zustand die Ansteuerung des Transistors unterbricht. Wenn demgemäß die
Sekundärspannung zu hohe Werte erreicht, beispielsweise weil die Leuchtstoffröhre
defekt ist oder fehlt, so wird die Versorgungsschaltung bleibend ausgeschaltet.
Eine Einschaltung ist nur dadurch möglich, daß die Handleuchte von der Versorgungsgleichspannung
getrennt und wieder angeschaltet wird. In entsprechender Weise kann vorgesehen sein,
daß die Überwachungsschaltung für die Sekundärspannung eine zweite bistabile Schwellenwertschaltung
aufweist, die beim Unterschreiten einer vorgegebenen Minimalspannung aus einem ersten
in einen zweiten Zustand kippt und sich dort selbst hält, und daß die zweite Schwellenwertschaltung
im zweiten Zustand die Ansteuerung des Transistors unterbricht. Bei einem sekundärseitigen
Kurzschluß, der beispielsweise bei einer Zerstörung der Leuchtstoffröhre auftreten
kann, findet dann ebenfalls ein bleibendes Ausschalten statt. Da beim Einschalten
der Stromversorgungsschaltung die Sekundärspannung zunächst Null ist und dann langsam
auf den Minimalwert ansteigt, ist zweckmäßig eine Sperrschaltung vorgesehen, die
das Kippen der zweiten Schwellenwertschaltung aus dem ersten in den zweiten Zustand
so lange verhindert, bis der Primärstrom über den Transistor wenigstens einen vorgegebenen
Wert erreicht hat.
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Auf diese Weise ist ein sicheres Einschalten ohne Ansprechen der zweiten
Schwellenwertschaltung möglich.
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Eine Gefährdung der Strornversorgungsschaltung kann auch dadurch
eintreten, daß die Versorgungsgleichspannung einen zu hohen Wert erreicht und zunächst
eine übliche Schmelzsicherung noch nicht anspricht. Eine
Weiterbildung
der Erfindung empfiehlt daher, daß der ersten Schwellenwertschaltung als Eingangssignal
auch die Versorgungsgleichspannung zugeführt ist, derart, daß die erste Schwellenwertschaltung
in den zweiten Zustand kippt, wenn die Versorgungsgleichspannung einen vorgegebenen
Maximalwert übersteigt.
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Bei einer Beschädigung der Handleuchte kann es zu einer Berührung
von stromführenden Teilen der Leuchtstoffröhre mit leitenden Teilen der Umgebung
kommen.
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Um dabei das Auftreten von unzulässig hohen Berührungsspannungen und
zündenden Funken zu vermeiden, kann vorgesehen sein, daß die Meßschaltung für den
Betriebsstrom der Leuchtstoffröhre und die bistabilen Schwellenwertschaltungen zur
Potentialtrennung über Transformatoren an den Sekundärstromkreis für die Leuchtstoffröhre
angeschlossen sind, Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein teilweise als
Blockschaltung dargestelltes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für eine Stromversorgungsschaltung
nach der Erfindung; Fig. 2 Einzelheiten von Schutzschaltungen gemäß Fig. 1.
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Die Stromversorgungsschaltung gemäß Fig.l weist einen Transformator
oder Übertrager 1 auf, dessen Primärwicklung 2 über einen Feldeffekt-Transistor
-3 an die Versorgungsgleichspannung U an den Eingangsanschluß 4, e 4' angeschlossen
ist. In diesem Primärstromkreis liegen außerdem eine Sicherung 5, eine Verpolungsschutzdiode
6, ein Störschutzfilter 7, ein Meßübertrager 8 sowie am Source-Anschluß des Transistors
3 ein Widerstand 9 mit niedrigem Wert. Der Transistor 3 wird von einer integrierten
Steuerschaltung 10 bekannter Ausführung, beispielsweise vom Typ TL 494 CN, mit einem
Impulszug angesteuert,der an den Anschlüssen 9 und 10 der Steuerschaltung 10
ansteht.
Die Frequenz des Impulszuges ist mittels eines Einstellwiderstandes 11 am Anschluß
6 der Steuerschaltung 10 einstellbar, beispielsweise auf einen Wert von 50 kHz.
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Der zugehörige Oszillator 12 in der Steuerschaltung 10 besitzt außerdem
einen Blockiereingang am Anschluß 5 der Steuerschaltung 10.
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Zur Erzielung einer stabilen und geregelten Betriebsspannung von
beispielsweise +5 V weist die Steuerschaltung 10 eine Stabilisierungsschaltung 13
auf, der über den Anschluß 12 die Eingangsspannung U zugeführt e ist und die am
Anschluß 14 die geregelte Spannung von +5 V abgibt. Diese Spannung dient als Speisespannung
für die verschiedenen Bauteile der Schaltungsanordnung.
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An der Sekundärwicklung 14 des Übertragers 1 wird die Betriebswechselspannung
für die Leuchtstoffröhre 15 abgenommen, die eine handelsübliche Ausführung mit einer
Leistung von beispielsweise 8 W ist. Ein Kondensator 16 im Sekundärstromkreis ergibt
zusammen mit der Sekundärwicklung 14 bei der gewählten Betriebsfrequenz einen Serienresonanzkreis,
der die Kurvenform des Röhrenbrennstroms wesentlich verbessert, derart, daß sich
ein im wesentlichen dreieckförmiger Brennstrom ergibt.
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Zur Einstellung und Regelung des Röhrenbrennstroms wird der über
den Transistor 3 und die Sekundärwicklung 2 des Übertragers 1 fließende Spitzenstrom
mittels des Meßübertragers 8 gewonnen, dessen Primärwicklung 17 im Primärstromkreis
liegt. Der Ubertrager 8 ist dabei als Stromwandler ausgeführt, beeinflußt den Primärstromkreis
also nur vernachlässigbar. Die von der Sekundärwicklung 18 gelieferte Spannung steht
nach Gleichrichtung in einem Gleichrichter 19 an einem Spannungsteiler mit zwei
Festwiderständen 20, 21 und einem Einstellwiderstand 22 an. Die Spannung am Abgriff
des Einstellwiderstands 22 wird über den Anschluß 16 der Steuerschaltung 10 dem
nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 23 in der Steuerschaltung
10 zugeführt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 23 ist über den
Anschluß 15 und einen Widerstand 24 mit der geregel-
ten Spannung
von +5 V verbunden. Der Operationsverstärker 23 beeinflußt über eine Diode 25 an
seinem Ausgang eine Steuerlogikschaltung 26 in der Steuerschaltung 10 so, daß bei
steigendem Spitzenwert des Primärstroms und damit steigender Gleichspannung am nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers die Impulsbreite des an den Anschlüssen 9 und
10 der Steuerschaltung 10 abgegebenen Impulszuges zur Ansteuerung des Transistors
3 verringert wird. Damit nimmt die Flußdauer des Primärstroms je Periode ab,und
es läßt sich ein gewünschter Wert einstellen und durch die beschriebene Regelung
im wesentlichen konstant halten.
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Um auch plötzliche Änderungen des Brenn-oder Betriebsstroms für die
Leuchtstoffröhre 15 erfassen und ausregeln zu können, und zwar insbesondere einen
nadelartigen Überstromstoß beim Übergang der Leuchtstoffröhre von der Glimm- zur
Brennphase, ist in den sekundären Stromkreis ein weiterer Stromwandler 27 mit seiner
Primärwicklung 28 gelegt. Die von der Sekundärwicklung 29 gelieferte Spannung, die
ein Abbild des über die Primärwicklung 28 fließenden Stroms ist, wird über einen
Gleichrichter 30 und einen Kondensator 31 an den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen
21 und 22 angelegt.
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Wegen des Kondensators 31 wirken dann nur plötzliche Änderungen des
Röhrenbrennstroms durch Überlagerung der an den Widerständen 20 und 22 anstehenden
Spannung mit einem weiteren Spannungsanteil ein.
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Um zu verhindern, daß die an der Drain-Elektrode des Transistors
3 anstehende Spannung einen zu hohen Wert annimmt, beispielsweise 120 V übersteigt,
wird über eine Diode 32 mit nachgeschaltetem Kondensator 33 eine Gleichspannung
abgeleitet, von der mittels eines Spannungsteilers mit Widerständen 34, 35 ein Teil
über den Anschluß 1 dem nichtinvertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers
36 in der Steuerschaltung 10 zugeführt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers
36 liegt über den Anschluß 2 und einen Widerstand 37 an der geregelten Spannung
von +5 V. Wie der
Operationsverstärker 23 bewirkt der Operationsverstärker
36 über eine Diode 38 und die Steuerlogikschaltung 26 eine Verringerung der Impulsbreite
des Ansteuerpulses für den Transistor 3 bei zu hoher Drain-Spannung und damit eine
Begrenzung dieser Spannung.
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Die Einzelheiten einer Schutzschaltung 39, die an die Elektroden
der Leuchtstoffröhre 15 mit ihren Anschlüssen 1 und 2 angeschaltet ist, sind in
Fig. 2 gezeigt und sollen jetzt erläutert werden. Es sei noch erwähnt, daß aus Sicherheitsgründen
die Elektroden der Leuchtstoffröhre 15 nicht vorgeheizt werden dürfen und daher
jeweils die beiden Elektrodenanschlüsse kurzgeschlossen sind.
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Zur Potentialtrennung weist die Schutzschaltung 39 an den Eingangsanschlüssen
1, 2 einen Übertrager 40 mit einer Primärwicklung 41 und einer Sekundärwicklung
42 auf. An einem Spannungsteiler mit den Widerständen 43 und 44 wird ein Teil der
Spannung an der Sekundärwicklung 42 abgegriffen und über eine Diode 45 mit nachgeschaltetem
Kondensator 46 gleichgerichtet. Zwei Transistoren 47, 48 sind in bekannter Weise
zusammen mit zugehörigen Widerständen zu einer Schaltung verbunden, die das Verhalten
einer Thyristor-Tetrode zeigt, also an den Steuereingängen (über den Widerstand
50 bzw. 52) zwar eingeschaltet, aber nicht wieder ausgeschaltet werden kann. Zum
Ausschalten muß die Betriebsspannung (+5 V am Anschluß 4) abgeschaltet werden.
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Die am Kondensator 46 anstehende, negative Gleichspannung ist über
eine Zenerdiode 54 an einen Steuereingang der Thyristor-Tetrode mit den Transistoren
47, 48 angelegt. Wenn diese negative Gleichspannung die Zenerspannung der Diode
54 übersteigt, kippt die Thyristor-Tetrode, die eine bistabile Schaltung darstellt,
in den zweiten stabilen Zustand um und hält sich dort seLbst.
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Dadurch wird der Anschluß 6 er Schutzschaltung 39 über eine Diode
45 auf das gemeinsame Bezugspotential (Masse) gelegt, so daß auch der Anschluß 5
der Steuerschaltung 10 (Fig. 1) an Masse liegt. Dann ist der Oszillator 12
gosperrt,und
der Transistor 3 wird nicht mehr angesteuert.
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Das bedeutet eine Abschaltung der Versorgungsschaltung, die nur dadurch
wieder aufgehoben werden kann, daß die Versorgungsspannung U kurzzeitig abgetrennt
wird.
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e Der positive Anteil der Spannung an der Sekundärwicklung 42 wird
über eine Diode 56 mit Vorschaltwiderstand 57 und nachgeschaltetem Kondensator 58
mit Belastungswiderstand 59 gleichgerichtet und steht über einen Widerstand 60 am
Eingang eines Inverters 61 an. Der Inverter steuert einen Eingang eines NAND-Gatters
62 an, dessen anderer Eingang über einen Widerstand 63 und den Anschluß 5 der Schutzschaltung
39 mit dem Ausgang des Gleichrichters 19 (Fig. 1) verbunden ist. Nimmt man an, daß
der Gleichrichter 19 eine Spannung liefert, die wenigstens dem Logikpegel H entspricht,
so geht der Ausgang des NAND-Gatters 62 dann auf den Pegel L, wenn am Eingang des
Inverters 61 keine Spannung mehr ansteht, also beispielsweise ein Kurzschluß im
Bereich der Leuchtstoffröhre 15 oder an der Sekundärwicklung 14 des Übertragers
1 vorliegt. Der Übergang von H auf L am Ausgang des NAND-Gatters 62 kippt ein Flipflop
64 , derart, daß an dessen Ausgang ein Signal L, also im wesentlichen das gemeinsame
Bezugspotential (Masse), erscheint, das über eine Diode 65 wiederum den Oszillator
12 in der Steuerschaltung 10 blockiert. Eine Rückstellung des Flipflops kann über
einen Widerstand 66 nur durch Abschalten der Betriebsspannung erfolgen.
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Eine weitere Schutzschaltung überwacht die Eingangsspannung U mittels
einer Zenerdiode 67, dee ren Kathode über den Anschluß 3 der Schutzschaltung 39
hinter dem Störschutzfilter 7 an die Spannung U gelegt e ist. Die Anode der Zenerdiode
67 liegt am Verbindungspunkt der Widerstände 52 und 53. Wenn die Eingangsspannung
U einen zu hohen Wert annimmt, leitet die Zenerdie ode 67 und schaltet die Thyristor-Tetrode
mit den Transistoren 47, 48 in den anderen stabilen Zustand um, in welchem in der
beschriebenen Weise über die Diode 55 der Oszillator 12 in der Steuerschaltung 10
blockiert wird.
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Über den Eingang 4 der Steuerschaltung 10 kann mittels einer Gleichspannung,
die auf die Steuerlogikschaltung 26 einwirkt, die maximal mögliche Impulsbreite
und damit Flußdauer des Transistors 3 eingestellt und begrenzt werden. Mittels des
Einstellwiderstandes 68 und eines festen Vorwiderstandes 69 wird ein Teil der geregelten
Spannung von +5 V am Anschluß 4 der Steuerschaltung 10 so eingestellt, daß der maximale
Betriebsstrom, der bei niedrigster Versorgungsspannung von beispielsweise 7 V auftritt,
beispielsweise 1,2 Ampere beträgt. Eine aus einem Kondensator 70 und einem Widerstand
71 bestehende Zeitschaltung ermöglicht ein sanftes Anlaufen der Stromversorgungsschaltung
insgesamt. Der durch den Widerstand 68 eingestellten Gleichspannung am Anschluß
4 der Steuerschaltung 10 wird nämlich beim Einschalten und damit Erscheinen der
Spannung von +5 V ein zusätzlicher Anteil über den Kondensator 70 und den Widerstand
71 überlagert, der dazu führt, daß beim Einschalten zunächst eine Begrenzung auf
einen niedrigeren Gesamtstrom erfolgt.
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Mit zunehmender Aufladung des Kondensators 71 kann dann der volle
Gesamtstrom erreicht werden. Das ist beispielsweise nach etwa 50 ms der Fall.