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Einrichtung zur Messung und automatischen Ausregelung von Phasenverschiebungen
In der Fernsteuertechnik tritt häufig die Aufgabe auf, die Phasenverschiebung zwischen
zwei Impulsfolgen zu messen und auszuregeln. Diese Aufgabe kann dadurch gelöst werden,
daß der zeitliche Abstand zwischen den Nulldnrdigängen der beiden Impulsfolgen gemessen
wird. Dem Regelorgan zur Ausregelung der Phasenverschiebung wird dann eine Impulsfolge
zugeführt, deren Impulsdauer jeweils dem zeitlichen Abstand zwischen zwei benachbarten
Null durchgängen proportional ist. Dieses Verfahren hat gegenüber anderen Verfahren
zur Bestimmung der Phasenverschiebung zweier elektrischer Größen den Vorteil, daß
es von der Genauigkeit irgendwelcher schaltelemente, z.B. Widerstände, Kondensatoren,
Spulen usw., unabhängig ist. Sodann gestattet es, bei Verwendung von Röhren außerordentlich
kleine Zeitabstände zwischen den Nulldurchgängen festzustellen und für die Regelung
nutzbar zu machen.
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Am einfachsten durchführbar wird dieses Verfahren dann, wenn die
beiden zu vergleichenden Impulsfolgen die Rechteckform der Abb. 1 besitzen. In dieser
Abbildung bedeuten A und B zwei rechteckige Impulsfolgen gleicher Frequenz, weiche
eine Phasenverschiebung gegeneinander besitzien. Haben die beiden vorgegebenen Impulsfolglen
ursprünglich keine rechteckige Form, sondern z. B. eine sinusförmige, so wird man
sie zweckmäßig zur Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens zuerst in zwei rechteckige
Impulsfolgen verwandeln, was man z. B. mit Hilfe von übersteuerten Röhren erreichten
kann.
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Der einfachste Weg, um aus den beiden vorgegebenen rechteckigen Impulsfolgen
A und B eine neue Impulsfolge zu bilden, deren
Impulse ein Maß für
die Phasenverschiebung zwischen den beiden Impulsfolgen Ä und B sind, besteht darin,
daß man einfach ihre Differenz bildet. Man erhält dann die ImpulsfolgeF in Abb.
1. Diese ist aber zur Speisung eines Reglers 0. dgl. deswegen ungeeignet, weil sie
kein Kriterium dafür enthält, welche von den beiden vorgegebenen Impulsfolgen vor-
und welche nacheilt. Die Impul sfoige f hat dasselbe Aussehen, unabhängig davon,
ob A oder B voreilt. Zur Speisung eines Reglers ist es aber lerfordierlich, daß
das Regelorgan in der einen Regeleinrichtung beeinflußt wird, wenn z. B. A voreilt,
und in der anderen Richtig, wenn B: voreilt. Die dem Regelorgan zugeführten Regelimpulse
müssen also positiv oder negativ sein, je nachdem A oder B voreilt.
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Eine solche Impulsfolge kann man erfindungsgemäß auf folgende Weise
gewinnen: Beim Betrachten der Impulsfolge F erkennt man, daß Impulse von F sowohl
beim Einsetzen wie bei der Beendigung zweier Ausgangsimpulse Ä und B auftreten,
und zwar hat der Impuls von F, welcher die Phasenverschiebung zwischen dem Einsatz
der beiden Ausgangsimpulse mißt, immer das ente gegengesetzte Vorzeichen von dem
nachfolgenden Impuls von F, welcher die Zeitdifferenz zwischen dem Aufhören der
beiden Ausgangsimpulse mißt. Eine Impulsfolge von der gewünschten Art würde man
offenbar dann erhalten, wenn man mit Hilfe irgendeiner Maßnahme eine der beiden
Impuls arten von F dauernd unterdrücken würde.
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Die neue Impulsfolge müßte also entweder nur die Zeitdifferenz zwischen
dem Einsetzen der beiden Ausgangsimpulse oder zwischen der B een digiing der beiden
Ausgangsimpulse, nicht aber beide gleichzeitig messen bz v. nachbilden.
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Dies kann man mit Hilfe eines in Abb. 2 dargestellten Verfahrens
verwirklichen. Dort sind wiederum die beiden Ausgangsimpulsfolgen A und B mit ihrer
Phasenverschiebung dargestellt. Aus ihnen wird nun eine neue Impulsfolge A' gebildet,
welche nur dann einsetzt, wenn ein Impuls der Reihe A beginnt, deren Impulse aber
erst dann aufhören, wenn sowohl der Impuls von A wie der phasenverschobene von B
beendet sind. Die Impulsfolge A' hat also die Eigenschaft, daß ihre Impulse von
den Impulsen A angereizt werden und sich über die Impulse B halten.
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Auf eine ähnliche Weise wird aus den beiden vorhergehenden Impulsen
A und B eine weitere Impulsfolge B' gebildet, wobei die Impulse von B' umgekehrt
nur von B angereizt werden und sich über A halten. Für den in Abb. 2 angegebenen
Fall, daß die Impulsfolge A voreilt, ist die Impulsfolge R' mit der Impulsfolge
B identisch. Für den in Abb. 3 dargestellten Fall, daß die Impulsfolge B voreilt,
ist umgekehrt die Impulsfolge A' mit der Impulsfolge 4 identisch.
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Wenn man nunmehr die beiden neuen Impulsfolgen A' und B' voneinander
subtrahiert, so erhält man in D eine neue Impulsfolge, welche die verlangten Eigenschaften
hat. Die Impulse von D sind nämlich jeweils der Phasenverschiebung zwischen den
beiden vorhergehenden Impulsfolgen proportional. Sie sind positiv, wenn A voreilt,
und negativ, wenn B voreilt. Wenn man sie einem Reglelorgan zuführt, so wird dieses
also in dem einen oder anderen Verstellsinn regeln, je, nachdem, ob die auszuregelnde
Impulsfolge B vor- oder nacheilt. Dieses ist grade der gewünschte Effekt.
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Für den Fall, daß die Phasenverschiebung zwischen den beiden vorgegebenen
Impulsfolgen sehr klein ist, werden die Impulse von D äußerst kurzzeitig sein. Insbesondere
wird die Impulsdauer im Vergleich zur Impulspause äußerst gering, der Mittelwert
dieser Impulsfolge also sehr klein sein, insbesondere kann bei sehr kleinen Phasenverschiebungen
ein Impuls von D nicht mehr ausreichen, um das Reglelorgan zu betätigen.
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Dessen Reizschwelle liegt in diesem Falle über der Energie des Impulses
D Es ist infolgedessen zweckmäßig, jeden Impuls von D, der kürzer als eine bestimmte
einstellbare Zeit ist, um leinen konstanten Betrag zu verlängern bzw. seinen Energieinhalt
um einen konstanten Energiebetrag zu vermehren, und dies in einem solchen Maße,
daß selbst ein beliebig kurzzeitiger Impuls von D noch eine endliche Wirkung auf
das Regelorgan ausüben kann. Man erhält dann die neue Impulsfolge E (s. Abb. 4),
welche endgültig dem Regelorgan zugeführt wird.
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Das angegebene Verfahren dient also dazu, die zeitliche Verschiebung
zwischen den Nulldurchgängen zweier Spannungen oder Ströme zu messen und evtl. auszurgegeln.
Derartige zeitliche Verschiebungen treten zunächst auf, wenn die beiden miteinander
zu vergleichenden periodischen Größen dieselbe Frequenz, aber eine Phasenverschiebung
gegeneinander besitzen. Derartige Verschiebungen treten aber auch auf, wenn die
beiden miteinander zu vergleichenden periodischen Größen, eine verschiedene Frequenz
haben. Man kann also das angegebene Verfahren auch dazu verwenden, um Frequenz differenzen,
insblesondere kleine Frequenzdifferenien zwischen zwei periodischen Größen, auszuregeln.
Mit Hilfe dieses Verfahrens werden diese beiden periodischen Größen nicht nur auf
Frequenzgleichheit, sondern auch auf Phasengleichheit eingestellt. Wenn jetzt irgendeine
der beiden
Größen eine Frequenzabweichung, erfährt, so wird sich
auch eine zeitliche Verschiebung zwischen den Nulldurchgängen einstellen.
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Diese wird positiv sein, wenn die eine Frequenz größer wird, und negativ,
wenn sie kleiner wird. Diese sich allmählich emstellende und größer werdende Phasenverschiebung
kann nun zur Ausregelung der Frequenzdifferenz verwendet werden.
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Dieses Verfahren zur Frequenzregelung hat gegenüber anderen Verfahren
der Frequenzmessung, z. B. Brückenmethoden, Resonanzmethoden o. dgl., den Vorteil,
daß es von der Genauigkeit irgendwelcher Schaltelemente unabhängig ist. Gegenüber
Schwebungs.-verfahren hat es den Vorteil, daß man ein Kriterium für eine geringfügige
Frequenzabweichung bereits innerhalb kürzester Frist gewinnt, während man bei dem
Schwebungsverfahren, insbesondere bei geringfügigen Abweichungen der beiden Frequenzen,
nelativ lange warten muß, bis die Schwehung entweder einen Wellenberg oder ein Wellental
aufweist.
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Im folgenden sollen nun mehrere Verfahren beschrieben werden, mit
deren Hilfe man die Umbildung der vorgegebenen Impulsfolgen A und B zunächst in
die Impulsfolgen A' und B' vollziehen kann. Wenn die Frequenz der vorgegebenen Impulsfolge
so niedrig ist, daß normale Relais ihnen zu folgen vermögen, so kann man Relaisschaltungen
zu diesem Zweck verwenden. In Abb. 5 ist eine derartige Relaisschaltung dargestellt.
Sie besteht aus den beiden Relais Ra und Rb. Jedes der beiden Relais besitzt eine
Ansprechwicklung, und eine Haltwicklung Wh. Das Relais Ra kann bei Ankunft eines
Impulses von A. ansprechen, dagegen nicht (wenn es abgefallen ist) bei Ankunft eines
Impulses von B. Es kann sich lediglich über die Impulsfolge B halten. Umgekehrt
spricht das Relais ob lediglich auf Impulse von B an und hält sich über Impulse
von A. Der Arbeitskontakt ra erzeugt die Impulsfolge A', der Arbeitskontakt rb die
Impulsfolge B'.
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Dieses Verfahren hat aber wegen der relativ kleinen höchstzulässigen
Frequenz nur ein sehr beschränktes Anwendungsgebiet. Das im folgenden beschriebene,
mit Röhren arbeitende Verfahren ist dagegen bis zu außlerordentlich hohen Frequenzen
(in der Größenordnung 100 000 Hz) anwendbar. Es beruht auf Röhrenkipperscheinungen.
Eine solche Kippschaltung hat die Eigenschaft, daß ein Strom. (etwa ein Anodenstrom)
z. B. vom Wert Null auf einen endlichen Wert immer dann springt, wenn z. B. gitterseitig
ein rechteckiger Spannungsstoß von der Größe UA auftritt. UA sei gerade die Reizschwelle
für das Einsetzen des Kippvorganges. Die Schaltung hat dann die Eigenschaft, daß
das Zurückkippen zum Strom Null erst erfolgt, wenn die Gitterspannung auf Ug gesunken
ist. Eine derartige Schaltung ist in Abb. 6 dargestellt.
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Ihre genaue physikalische Wirkungsweise wird weiter unten besclirieben;
zunächst möge angegeben werden, was sie im Enderfolg leistet. In der Ausgangslage
fließt im Rohr I der Anodenstrom ial, der Anodenstrom des Rohres a2. = o. Dieser
Zustand ist vorhanden, wenn die Gittervorspannung u1 den Wert Null hat (s. Abb.
7). Wenn die Gittervorspannung den Wert 2 Volt erreicht, dann kippt plötzlich der
Strom val nach o und der Strom im Rohr 2 auf den Wertia2. Dieser Zustand bleibt
bei einer weiteren Vergrößerung der Gittervorspannung bestehen. Geht man dann mit
der Gittervorspannung wiederum zurück, so kippt das System erst bei einer Gittervorspannung
von 1 Volt in die Ausgangslage zurück.
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Diese Erscheinung kann man nun auf folgende Art dazu verwenden, um
aus zwei vorgegebenen Impulsfolgen A und B von der eingangs beschriebenen Art eine
neue Impulsfolge A' zu bilden: Die Impulsfolgen A und B mögen beide Spannungsimpulse
von der Höhe von 3 Volt darstellen. Die Gittervorspannung u1 setzt sich dann zusunmen
laus der Impulsfolge A und in Reihe dazu einer Impulsfolge von der halben Spannungshöhe
von B. In Abb. 8 sind die beien Impulsfolgen A und B dargestellt. Zur Zeit t0 ist
demnach u1 = o. Zur Zeit .t = G wird auf Grund von A u1 = 3 Volt. Infolgedessen
kippt der Anodenstrom des Rohres 2 vom Wert o auf den Wert ia2. Zur Zeit í2 setzt
auch der Impuls von B ein, wodurch die Spannung u1 um I,5 Volt vergrößert wird.
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Es wird dann u1 = 4,5 Volt. Dadurch ändert sich aber an dem Stromverlauf
innerhalb der Schaltung nichts. Zur Zeit t = ist der Impuls A beendet, und die Gittervorspannung
u1 sinkt auf den Wert I,5 Volt.
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Aber auch dadurch ändert sich an dem bestehenden Zustand nichts, da
das Zurückkippen erst bei einem Absinken der Gittervorspannung a1 auf 1 Volt erfolgt.
Der Strom ia2 hält sich also über die Impulsfolge B. Erst zur Zeit t4, wenn auch
der Impuls von B beendet ist, wird u1 = o, und die Ströme kippen auf ihre ursprünglichen
Werte zurück (ia2=o).
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Dieser Verlauf tritt ein, wenn die Impulsfolge A voreilt. Wenn umgekehrt
die Impulsfolge B voreilt (Abb. 9), so ist wiederum zur Zeit t= to u1=o. Bei íl
beginnt der Spannungsimpuls B, Tund es wird u1 = I,5 Volt.
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Dieser Betrag reicht aber nicht aus, um die Schaltung zum Kippen zu
veranlassen, denn dazu ist ein Wert von mindestens 2 Volt
erforderlich.
Es ändert sich in diesem Falle also durch Ankunft des Impulses B an dem bisherigen
Zustand nichts, erst wenn zur Zeit t2 ein Impuls von A ankommt, wird u1 = 4,5 Volt,
und der Strom im Rohr 2 springt vom Wert o auf den Wert ia2. Zur Zeit t3 hört der
Impuls B auf, es wird u1=3 V.
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Eine Veränderung des bisherigen Zustandes findet nicht statt. Erst
beim Aufhören von A zur Zeit t4 wird u1=o, und der Ausgangszustand wird wieder hergestellt.
Man erhält also mit Hilfe dieser Schaltung eine neue Impulsfolge A', deren Impulse
von den Impulsen der Folge A angereizt werden und sich über die Impulse der Folge
B halten.
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Die zweite erforderliche Impulsfolge B' erhält man in entsprechender
Weise dadurch, daß man genau derselben Schaltung eine Gittervorspannung zuführt,
weiche sich aus den SpannungsstößenB und aus Spannungsstößen von halber Höhe von
A zusammensetzt.
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Nunmehr möge die physikalische Wirkungsweise der in Abb. 6 dargestellten,
Kippschaltung erläutert werden. Wenn u1=o ist, so ist das Rohr 2 auf Grund der negativen
Gittervorspannung ug1 gesperrt. ia2=o.
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Dadurch liegt am Punkt P1 gegenüber der Kathode die volle Anodenspannung
ua. Diese liegt also auch am Gitter des Rohres 1. Das Rohr 1 führt den Anodenstrom
ia1. Das Rohr 1 bildet zusammen mit dem Anodenwiderstand Ra1 einen Spannungsteiler
für die Anodenspannung ua, so daß am Punkt P2 eine im Vergleich zum stromlosen Zustand
geringe positive Spannung gegenüber der Kathode herrscht. Wenn man die Gittervorspannung
u1 allmählich steigert, so wird die Gittervorspannung des Rohres 2 ins Positive
verschoben. Wenn dieses in ieinem derartigen Maße der Fall ist, daß im. Rohr 2 ein
Anodenstrom a2 zu fließen beginnt, so wird auf Grund der SpamDungsteilterwirkung
des Rohres 2 und des Widerstand, es Ra2 das Potential des Punktes P2 und damit die
Gittervorspannung des Rohres I in negativer Richtung verschoben. Der Anodenstrom
des Rohres. I wird dadurch kleiner, wodurch das Potential des Punktes P2 und damit
die Gittervorspannung des Rohres 2 in positiver Richtung verschoben wird. Durch
diese Erscheinung wird also die Wirkung von unterstützt. Der Vorgang schaukelt sich
auf, und es tritt ein plötzliches Kippen des Stromes im Rohr 2 von o auf den Wertia2
und des Stromes im Rohr I von iat auf den Wert o ein. Dieses ist der Fall, wenn
u1 den Wert von 2 Volt erreicht hat. Ein Zurückkippen tritt aber erst wieder ein,
wenn 111 auf 1 V zurückgegangen ist..
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Ähnliche Wirkungen, die sich ebenfalls zur Anwendung auf einen Impuiswandier
in der angegebenen Weise eignen, kann man durch Verwendung von Doppelgitterröhren,
von Röhren mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken oder von Glimmröhren
erzielen. Durch geeignete Dimensionierung der Schaltung kann man insbesondere erreichen,
daß der Kippvorgang innerhalb außerordentlich kurzer Zeit (10-8 Sekunden und darunter)
verläuft. Dieses ist von Bedeutung für die Empfindlichkeit der gesamten Anordnung
auf ganz geringfügige Abwleichungen in der Phasenlage der beiden zu-vergleichenden
Impulsfolgen.
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Durch Zusammenschaltung zweier Impulswandler dieser Art (s. Abb.
10) gewinnt man eine Schaltung, mit deren Hilfe man die beiden vorgegebenen Impulsfolgen
A und B in eine Impulsfolge D=A'-B' verwandeln kann. aufgenommene Oszillogramme
lassen nun erkennen, daß bei sehr kleinen Phasenverschiebungen die Stöße von D nur
außerordentlich kurzzeitig sind und sich infolgedessen für die unmittelbare Speisung
eines Regelorgans nicht gut eignen. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, daß man
die Impulse von D um einen konstanten Energie-oder Zeitbetrag vermehrt.
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Für den Fall, daß die Frequenz der vorgegebenen Impulsfolgen so niedrig
ist, daß Relaisschaltungen ihr zu folgen vermögen, so kann man eine solche Wirkung
durch Anwendung eines abfallverzögerten Relais erzielen, welches durch Impulse von
D angereizt wird und sich über einen konstanten Zeitbetrag hinweg hält.
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Im Falle hoher Frequenzen dagegen eignet sich dieses Prinzip nicht.
Es wird dann ein Energiespeicher vorgesehen, welcher während der Impuispausen von
D oder auch dauernd nachgeladen wird, und dessen Entladung durch die Ankunft eines
beliebig kurzzeitigen Impulses von D eingeleitet wird. Die einmal eingeleitete Entladung
muß sich bis zur vollständigen Entladung des Speichers selbst haltern.
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Eine Schaltung, weiche diese Forderung verwirklicht, ist in Abb.
11 dargestellt. Diese besteht in einer Röhre mit gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken
T, zu welchem der Kondensator C parallel liegt.
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C wird über einen Widerstand von 0,4 Megohm aufgeladen. Wenn die normalerweise
negative Gittervorspannung ug durch einen (kurzzeitigen) Impulse 2 ins Positive
verschoben wird, so zündet die Röhre, und der KondensatorC entlädt sich. Der Widerstand
von 0,4 Megohm ist aber so hoch bemessen, daß sich diese Zündung bei Verschwinden
der Spannung nicht aufrechterhalten kann.
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Wenn der Kondensator C entladen ist, wird
der Strom
im Rohr wiederum o. C wird dann von der Anodenbatterie aus über den Widerstand Ra
wieder aufgeladen. Der Anodenstrom 1a hat also bei Ankunft von kurzzeitigen Impulsen
die in Abb. 12 dargestellte Form. Die Impulse sind um den Energieinhalt des Kondensators
C vermehrt worden.
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Wenn die Dauer des Gitterimpulses u größer ist als die Entladungsdauer
des Kondensators C, so tritt ein wiederholtes selbständiges Kippen der Anordnung
ein. Der Strom ia hat dann den in Abb. I3 dargestellten Verlauf. In Abb. 14 ist
die Gesamtschaltung des Impulswandlers einschließlich eines Zwischenverstärkers
und der Impulsverlängerungsschaltung dargestellt. Die damitberhaltene Ausgangsspannung
ist auch bei außerordentlich kleinen Phasenverschiebungen zur Speisung eines Regelorgans
geeignet.
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Anstatt der in Abb. II dargestellten Schaltung zur Impulsverlängerung
kann man auch Schaltungen mit Glimmröhren verwenden, was u. U. Vorteile bietet,
da Glimmröhren eine längere Lebensdauer als Röhren mit gittergesteuerten Dampf-
oder Gasentladungsstrecken haben.
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Das obenerwähnte Regelorgan, welches von der Schaltung nach Abb.
14 gespeist wird, kann z. B. in einem Gleichstrommotor bestehen, dessen Anker einen
konstanten und insbesondere von seiner Drehzahl unabhängigen Strom führt und welcher
zwei Erregerwicklungen besitzt. Jede dieser beiden liegt im Anodenkreis einer der
blenden Ausgangsröhren. Die eine Erregerwicklung dient dem Vorwärtslauf, die andere
dem Rückwärtslauf.