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Schaltung zur Veränderung der Abstimmung eines elektrischen Schwingkreises
in Abhängigkeit von einer Regelspannung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
die direkte Veränderung der Abstimmung elektrischer Schwingkreise inAbhängigkeitvon
einer besonders zuggeführten Regelspannung ohne Betätigung mechanisch bewegter Zwischenmechanismen.
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Das Problem der Abstimmungsbeeinflussung elektrischer Schwingkreise
durch eine besondere Regelspannung tritt beispielsweise auf: bei Fernregulierung
der Abstimmung, ferner bei besonderen Anordnungen zur Scharfabstimmung, insbesondere
bei der automatischen Scharfabstimmung von Ernpfüngern der drahtlosen Technik. Das
gleicht Problern der Abstimmungsbeeinflussung durch eine Regelspannung kann aber
auch auftreten bei Schwingungsgeneratoren, deren Frequenz durch automatische Regulierung
auf einem konstanten Wert oder in Übereinstimmung mit der Frequenz eines Taktgebers
zu halten ist.
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Es sind bereits Vorrichtungen zur Abstimmungsbeeinflussung durch besondere
Steuerspannung ohne mechanisch bewegte Zwischenmechanismen bekannt. Die Abstimmungsänderung
kann beispielsweise durch Beeinflussung der Vormagnetisierung ferromagnetischer
Spulenkerne erfolgen. Es wurden auch verschiedene Anordnungen mit Elektronenröhren
vorgeschlagen, wobei die dynamische Kapazität einer Rührenelektrode durch Änderung
bestimmter Vorspannungen beeinflußt wird. Schließlich kann die Abstimmung von Schwing-'kreisen
auch mit Hilfe von Ohmschen Widerständen verändert
werden, wenn
über diese Widerstände feste Zusatzkapazitäten oderInduktivitäten ingeeigneter Weise
mit -dem Schwingkreis verbunden sind.
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Den genannten Verfahren haften verschiedene Nachteile an. Zunächst
ist in vielen Fällen zur Ab-
stimmungsbeeinflussung eine beträchtliche Steuerleistung
erforderlich. Ferner setzen diese Anordnun,-en einen nicht -unbedeutenden apparativc.-1
Aufwand voraus, wodurch die Apparate erheblich vertenert werden. Dabei sind die
erzielbaren Abstimmungsänderunggen gewöhnlich ziemlich klein und reichen nicht immer
für die praktischen Be.-dürfnisse aus.
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Die vorliegende Erfindung umgeht diese Nachteile und ermöglicht große
Abstimmungsänderungen bei *kleinen Steuerleistungen mit minimalem Aufwand an Hilfsapparaten.
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Erfindungsgemäß werden zur Veränderung der Abstimmung elektrischer
Schwingkreise in- Ab-'hängigkeit von einer Gleithspannung in diesen Schwingkreisen
Kondensatoren mit mechanisch nicht verschiebbar-en Belegen verwendet, deren Kapazität
von der Vorspannung zwischen den Beleg-en abhängt.
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Diese Kondensatoren vorspannungsabhängiger Kapazität enthalten eine
dünne Sperrschicht, die zwischen geeigneten Belegen so eingelagert ist, daß die
Kapazität für die in Frage komm-enden Abstimmfrequenzen von der Gleichspannung zwischen
diesen Belegen von der gewünschten Weise abhängt.
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Da diese dünne und schlecht leitende Sperrschicht ein wesentliches
Merkmal darstellt, werden die Kondensatoren, die übrigens in ihrem Aufbau in vielen
Fällen den bekannten Sperrschichtgleichrichtern entsprechen, nachfolgend als Sperrschichtkondensatoren
bezeichnet.
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Die Fil-. i bis 6 zeigen, wie der Gegenstand der Erfindung
in einigen beispielsweisen Schaltungen eingegliedert ist.
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Die erfindungsgemäß gekennzeichneten Sperrschichtenkonden(satoren
werden in den Figuren durch ein -besonderes Symbol mit der Bezeichnung K dargestellt.
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Die Zuführuna, der Vorspannun-, welche auf die Größe der Kapazität
bestimmend wirkt, zu diesen Kondensatoren hat so zu erfolgen, daß einerseits die
Dämpfung- des Schwingkreises durch den Gleic:hstromkreis nicht wesentlich erhöht
wird und daß andererseits in diesem Schwingungskreis für die Vorspannung kein Kurzschluß
besteht. Gemäß Fig. i kan-n die Vorspannung e von der Gleichspannunggsquelle B aus
über eine Drossel D zugeführt werden, -welche für -die in Frage kommende
VVechselspannung der Schwin,-kreise eine genü"gend große Impedanz darstellt. Diese
Drossel kann gewühnlich auch durch einen entsprechend hoch bemessenen Ohmschen Widerstand
ersetzt werden. Die auf diese Weist dem vorspannungsabhängigen Kond-ensato,r K zugeführte
Vorsparmung wird durch die gegenüber K große Kapazität C, von den übrig-en
Schaltelernenten des Schwin,-kreises ge-
trennt. Auf diese Weise kann die
zwischen den Klemmen i und 2 auftretende Kapazität in Abhäng!gkeit von der bei der
Spannungsquelle B abgegriffenen Vorspannung e verändert werden. Durch Einfügen dieser
Anordnung in einen elektrischen Schwin-kreis läßt sich also in einfacher Weise dessen
Abstimmung verändern.
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Es zeigt sich aber, daß die Kapazität der vorspannungsa-Bhängigen
Kondensatoren im allgemeinen in starkem Maß.-. frequenzabhängig ist. Diese Tatsache
ist bei der Dimensionieruna, der Schwingkreise zu berücksichtigen. Wird beispielsweise
die Abstimmfrequenz eines Schwingkreis-es durch. einen veränderlichen Abstimm-kondensator
(Dr,#hl<ondensator) in weiten Grenzen -,einstellbar gemacht, so sind die frequenzabhängigen,
Kapazitätsänderungen des vorspannungsabhängigen Zusatzkondensators (Sperrschichtkondensators)
bei der Formgebung der Platten dieses Drehkondensators in sinngemäßer Weise so zu
berücksichtigen, daß die Abstimmung in dem vorbeschriebenen Zusammenhang mit der
Einstellung dieses Abstimmkondensators bleibt.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen die beispielsweise Einführung,der vorspannungsabhängigen
Kapazität in elektrischen Schwingkreisen, Gemäß Fig.:2 läßt sich eine in Fig. i
beschriebene Anordnung parallel zum Schwingkreis L, C schalten, dessen Abstimmung
somit nach Maßgabe der beigefügten Parallelkapazität verändert wird und durch die
Regelspannung an den Klemmen 5 und 6 in gewissen Grenzen zu beeinflussen
ist. Durch Veränderung von L oder C kann eine Grobabstimmung erfolgen. Erfolgt
diese Grobabstimmung, wie in der Figur angedeutet, durch die veränderbare Kapazität'C,
so sind die Abstimmungsänderungen bei bestimmten Vorspannungsänderungen an, den
Klemmen 5 und 6
am größten bei kleinem C, d. h. bei sehr hohen
Abstimmfrequenzen.
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Die vorspannungsahhängige Kapazität K kann gemäß Fig. 3 auch
in Serie zum Abstimmkondensator C geschaltet werden. In diesem Fall sind
die Abstimmungsänderungen, welche bestimmtenRegelspannungsänderungen entsprechen,
am größten bei großem C, d. h. bei tiefen Abstimmfrequenzen.
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Im allgemeinen darf die Wechselspannung am vorspannungsabhängigen
Kondensator eine gewisse Amplitude nicht überschreiten. Diese Forderung besteht
besonders dann, wenn unerwünschte, nicht lineare Verzerrungen vermieden werden müssen
und wenn unzulässige Rückwirkungen auf den Stetierkreis, beispielsweise infolge
der Gleichrichterwirkung des Kondensators, zu vermeiden sind.
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In Kreisen mit großer Schwingamplitude empfiehlt es sich daher, statt
ein-es einzelnen vorspannungsabhängigen Kondensators, -welcher etwa gemäß Fig. 2
zur Schwingspule parallel geschaltet ist, eine Serienschaltung von mehreren solcher
Kondensatoren zu verwenden, so daß die Wechselspannung an jedem einzelnen
dieser Kondensatoren einen gewissen maximalen Wert nicht übersteigt. Es ist unter
Umständen auch nicht erforderlich, .daß alle Teilkapazitäten dieser Serienschaltung
vorspannungsabhängig
sind; in gewissen Fällen Icann ein einzelner
vorspannungsabhängiger Kondensator ausreichen, welcher zu einem festen Kondensator
genügend kleiner Kapazität in Serie geschaltet ist.
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Eine andere Möglichkeit zur Vermeidung unzu-lässig großer Wechselspannung
am vorspannungsel 23 b
abhängigen Kondensator besteht darin, daß derselbe
zu einem bestimmten Windungsabschnitt der Schwingspule parallel geschaltet ist,
etwa in der Weise, daß der eine Beleg dieses Kondtnsators mit dem Spulenanfang und
der andere Beleg mit einer entsprechenden Spulenanzapfung verbunden wird.
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Die Fi-. 4, 5 und 6 geben nun Beispiele dafür, wie Anordnungen
zu treffen sind, damit die einer bestimmten Regelspannungsänderung entsprechende
Abstimmun,-sänderung bei hohen und tiefen Frequ-enzen einem jeweils vorgeschriebenen
Betrag .entspricht. Es kommen in allen drei Beispielen zwei vorspannun gsabhängige
Kapazitäten Ki und K2 zur Anwendung wobei die mittlere Kapazität von K
2 groß
ist gegenüber derjenigen von K,. Bei hohen Frequenzen (kleines C) wird die
Abstimmung b
namentlich durch Änderungen von Ki beeinflußt. Nähert sich dagegen
bei tieferen Frequenzen die Kapazität des Abstimmungskondensators C derjenigen von
K" so sind namentlich die vorspannungsabhängigen Änderungen von K für die Abb 2
stimmungsänderungen maßgebend. Nach dem G-esagten ist demnach durch passende Wahl
von K, und K2 zu erreich-en, daß die jeweiligen Ab-
stimmungsänderungen bei
hohen und tiefen Frequenzen den vorgeschriebenen Werten entsprechen.
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Bei der in Fig. 5 gezeigten Schaltung liegen die Kapazitäten
Ki und K,'bezüglich der Vorspannung in Serie zueinander. 2wecks einer richtigen
Verteilung der Vorspannung über diese beiden Kondensatoren können diese beispielsweise
durdh hochahmige Widerstände überbrückt werden.
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Gemäß Fig. 6 lassen sich vorspannungsabhängige Kapazitäten
auch spulenseitig einschalten, wodurch die Spuleninduktivität bei den in Frage kommenden
Frequenzen um einen entsprechenden Wert vermindert wird. Solche Schaltungen können
sich namentlich aus Ersparnisrücksichten in manchen Fällen als zweckmäßig enveisen.
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Die Fig. 7 zeigt eine andere Schaltung, bei der die vorspannungsabhängigen
Kapazitäten K, und K2
bezüglich der Vorspannung in Serie zueinander
1 i ege n.
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Bei der Anwendung von der in den Fig. 4, 5
und 6, 7 gezeigten
Schaltungen läßt es sich im besonderen auch erreichen, daß die durch eine bestimmte
Vorspannungsänderung- hervorgerufene Änderung der Abstimmfrequenz bei all-en vorkommenden
Werten von C annähernd -leich -roß ist, so daß also die Frequenzänderungen
von der jeweiligen Abstimmfrequenz praktisch unabhängig sind. Dank dieser Tatsache
kann durch derartige Schaltungen den besonderen Forderung-en bei Anordnungen zur
automatischen Scharfa:bstimmung von Empfängern der drahtlosen Technik in idealer
Weise entsprochen werden. Die Kapazität der vorspannungsabhängigen Kondensatoren
K ist übrigens im allgemeinen auch selbst frequenzabhängi.-. Dieser Umstand kann
häufig zur Verbesserung der Frequenzabhängigkeit der Abstimmkorrektur mit berücksichtigt
werden. Auf alle Fälle ist darauf bei der Dimensionierung Rücksicht züi nehmen,
namentlich wenn zwei oder mehrere Sperrschichtkondensatoren, z. B. gemäß Fig. 4,
5, 6 und 7, vorgesehen sind.
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Die beschriebenen Schaltungen sind nur als Ausführungsbeispiele des
Erfindungsgedanken#s zu betrachten. Entsprechend den jeweiligen Anwendungsfällen
lassen sich leicht noch zahlreiche weitere Schaltungen angeben, welche den technischen
Forderungen bei möglichst einfachem Aufbau besonders gut entsprechen. Insbesondere
können Schaltungen mit mehreren passend dimensionierten vorspannungsab-hängigen
Kondensatoren angegelben werden, bei welchen die vorspannungsabhängige Abstimmungsbeeinflussungg
für verschiedene Frequenzen nach weitgehenden bestimmten Vorschriften folgt.
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Die für die Abstimmunggsänderung maßgebende Vorspannung kann z. B.
von Hand mit Hilfe eines Potentiometers eingestellt werd-en. Es kann sich bei dieser
Vorspannung aber auch um eine Regelspannung handeln, welche aus einer Vorrichtung
zur automatischen Frequenzkontrolle entnommen wird. Bei Anordnungen zur automatischen
Ab-
stimmungskontrolle von Empfängern der drahtlosen Technik werden beispielsweise
Regelspannungen erzeugt, welche stets der Empfängerverstimmung gegenüber der zu
empfangenden Hochfrequenz entsprechen und die deshalb unter Anwendung des Verfahrens
gemäß vorliegender Erfindung stets eine Verbesserung der ursprünglich ungenauen
Empfängerabstimmung bewirken. Die Regelspannung kann in anderen Fällen auch/oder
einer besonderen elektrischen Frequenz- oder Phasenvergleichss,chaltun",:" entnommen
werden, wodurch beispielsweise die Abstimmung eines Schwingungsgenerators so beeinflußt
wird, daß die Frequenz bzw. auch die Phasenlage der erzeugten Schwin-P ö# n,
- m it derjenig -en einer bestimmten vorgegebenen Schwingung möglichst -weitgehend
übereinstimmt. Diese letztere taktgebende Schwingung kann einem besonders geregelten
Ta:ktgeber, z. B. einem quarzgesteuerten Oszillator, entnommen werden. Es kann sich
dabei aber auch um irgendeine andere Schwingung handeln, mit welcher der zu regelnde
Generator auf möglichst gleiche Frequenz oder sogar auf Synchronismus gebracht werden
soll. Dieser Fall liegt beispielsweise dann vor, wenn ein .
Radiosender mit
einem anderen auf phasenrichtigen Gleichlauf reguliert werden soll (Gleidhwellensender).
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Bei der Disposition von vorspannungsabhängigen Kapazitäten in einer
bestimmten, Gesamtschaltung, z. B. in der Schaltung eines Empfängers für drahtlose
Telephonie, ist darauf zu achten, daß die Wechselspannung an diesen Kapazitäten
die zulässigen Werte nicht überschreitet, welche durch die Schaltung und das Verhalten
der vorspannungsa
Bhäng-igen Kondensatoren gegeben sind. In vielen
Fällen empfiehlt es sich aber, die vorspannungsa;bhängige Abstimmung in besondereVorkreise
mit geringer Schwingamplitude zu -verlegen und die kleinen Wechselspannungen durch
passend bemessene Verstärkerstufen bis zur erforderlichen Amplitude zu verstärken.
Bei Röhrengeneratoren, z. B. Oszillatoren von Überlagerungsempfängern, sollten die
vurspannungsabhängigen Abstimmelemente. im allgemeinen aus den gleichen Gründen
in den Gitterkreis verlegt werden.
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Da die Abstimmung bei Verwendung von vorspannungsabhängigen Kondensatoren
im allgemeinen auch in gewissem Maße von der Schwingamplitude abhäng ,t, ist es
in vielen Fällen zweckmäßig, diese Schwingamplitude durch eine besondere Vorrichtung
auf einem gewissen konstanten Wert zu halten. Diese Regulierung kann durch eine
an sich bekannte Vorrichtung zur automatischen Amplitudenregulierung bzw. Amplitudenbegrenzung
erfolgen, z. B. unter Verwendung von temperaturabhängigen Widerständen oder mit
Regelpentoden bzw. Hexoden, deren Verstärkung zur Erzielung einer konstanten Schwingamplitude
ständig automatisch geregelt wird.
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Von maßgebender Bedeutung für die Brauchbarkeit von Anordnungen gemäß
vorliegender Erfindung ist das Verhalten der vorspannungsabh-ängigen Kondensatoren
K, tei welchen es sich erfindungsgemäß im besonderen -um sogenannte Sperrschichtkondensatoren
handelt. Im allgemeinen sind die elektrischen Eigenschaften von Kondensatoren wenig
oder gax nicht abhängig von einer angelegten Vorspannung. Es sind dagegen Zweipole
bekannt, deren Wedhselstromwirkwiderstand in starkem Maße von einer angelegten Vorspannung
abhängt. Das ist z. B. der Fat bei den verschiedenen steurungslosen Gleichrichtern,
insbesondere auch bei den sogenannten Sperrschichttrockengleichrichtern und den
sogenannten Elektrolytgleichrichtern.
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-Die genauere Untersuchung zeigt, daß dabei nicht nur der Ohmsche
Wirkwiderstand vorspannungsabhängig ist, sondern in größeren Frequenzbereichen auch
der kapazitive Blindwiderstand. Auf diese Tatsache wurde in der physikalischen Fachliteratur
bereits hingewiesen, da sie für gewisse. physikalische Untersuchungen an den Gleichrichtern
von Interesse ist. Das gleiche vorspannungsabhängige Verhalten kann an, verschiedenen
Elektrolytkondensatoren von an sich bekanntem Aufbau beobachtet werden. Es lassen
sieh demnach Kapazitäten. von ähnlichern Aufbau wie die bekannten Trockengleichrichter,
Elektrolytgleichrichter und Elektrolytkondensatoren herstellen, deren Kapazitätswert
in starkem Maße von, einer angelegten Vorspünnung abhängt. Die Verluste können,
wie die Versuche zeigen, bei richtiger Diniensionierung in den zulässigen Grenzen
gehalten werden.
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,Bekanntlich werden für den physikalischen Mechanismus dieser trockenen
bzw. nassen Gleichrichter und Kondensatoren verschiedene Erklärungen gegeben, einerseits,
weil der Mechanismus offenbar nicht in allen Fällen der gleicht ist, und andererseits,
weil in den meisten Fällen überhaupt keine allgemein anerkannte wissenschaftliche
Erklärung für deren Verhalten. besteht. Es kann deshalb auch für den physikalischen
Mechanismus der vorspannungs- und frequenzabhängigen Kapaz-itätsänderung dieser
Gleichrichter und Kondensatoren g
keine allgemein gültige Erklärung gegeben
werden.
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In vielen Fällen ist jedoch für diese vorspannungs -
abhängigen
Kapazitäten charakteristisch, daß sie eine außerordentlich schlecht leitende Sperrschicht
von weniger als io-3 cm Stärke enthalten. Nach den bisherigenErfahrungenkanndieseSperrschicht
von metallischen oder elektrolytischen Leitern oder Halbleitern begrenzt sein, welche
auch ihrerseits für den vorspannungsabhängigenKapazitätsverlauf von gewisser Bedeutung
sind.
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Bei geeigneter Wahl einer solchen Halbleiterschicht kann aus derselben
auch die Zwischenschicht von sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit (Sperrschicht)
gebildet werden. Dies erfolgt beispielsweise duxch Sauerstoffentzug bei den sogenannten
Oxydationshalbleitern, z. B. Kupferoxydul, Urandioxy.d, usw., oder durch Sauerstoffzuführ
bei den sogenannten. Reduktionshalbleitern, z. B. Zinkoxyd.
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Die Bildung der Sperrschicht aus einer angrenzenden Halbleiterschicht
ist bereits bei der Herstellung von Sperrschichtgleicchrichtern bekannt. Es sind
aber auch verschiedene andere Verfahren zur Herstellung der Sperrschicht bekannt,
die bei ,der Herstellung von Sperrschichtgleichrichtern bereits mit Erfolg angewendet
worden sind. Die Erfahrung zeigt, daß als Sperrschicht auch be-
sonders aufgetrageneIsolierschichtenvon
genügend geringer Stärke verwendet werden können, welche in geeigneter Weise von.
Leiter- bzw. Halbleiterschichten begrenzt sind. Als solche künstliche Speerrschichten
kommen beispielsweise organische Lacke in Frage, wie Sehellack, Phenolformaldehydkunstharz,
Nitrocelluloselack.
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Um eine -besondere Art der vorspannungsabhängigen Kapazitätsbeeinflussung
handelt es sich bei Anordnungen, wie sie als Elektrolytgleichrichter oder als trockene
bzw. nasse Elektrolytkondensatoren bereits bekannt sind. Dabei wird. die Sperrschicht
bei der Formierung in bekannter Weise gebildet.
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Naturgemäß ist dabei die Vorspannungsabhängigkeit der Kapazität
je nach Aufbau der Zelle sehr verschieden. Besonders ausgeprägt ist die Vorspannungsabhängigkeit
beispielsweise bei Verwendung einer Wolframanode, etwa, in Cu (NO.), als Elektrolyt.
Auch bei Niob oder Tantal als Anodenmaterial treten die vorspannungsabhängigen Kapazitätsänderungen
in auffälliger Weise zutage. je nach Stärke und Beschaffenheit der Sperrschicht
und der angrenzenden Belegschichten sind bei der Kapazitätsbeeinflussung Zeitkenstanten
in der Größenanordnung von einigen tausendstel Sekunden festzustellen. Abgesehen
von dieser raschen Kapazitätsbeeinflussung sind auch relativ sehr langsame Einwirkungen
der Vorspannung zu beachten, welche
als spannungsabhängige Formierung
längst bekannt sInd.
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Obschon sich Zellen, wie sie als Elektrolytgleichrichter oder Elektrolytkondensatoren
bereits bekannt sind, in manchen Fällen ohne. weiteres für eine vorspannungsabhängige
Kapazitätsbeeinflussuna, eignen, kommen für die gleichen Zwecke auch ZD zi Zellen
in Frage, die zwar von den bereits bekannten Anordnungen grundsätzlich nic1-it wesentlich
abweichen, bei denen aber Zusammensetzung bzw. Bemessung der festen Belege und des
Elektrolyts sowie der Formierungsprozesse mit Rücksicht auf die neue Zweckbestimmung
dem üblichen nicht entsprechen.
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Auf alle Fälle soll der Gleichstromwiderstand bei den angewendeten
Vorspannungen im Interesse gepinger Gleichstromverluste möglichst groß sein.
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Soweit es sich bei diesen Sperrschichtkondensatoren um Anordnungen
handelt, wie sie als Trockenerleichrichter, Elektrolytgleichrichter, Elektrolytb
kondensatoren bereits bekannt k' sind, ist des.halb im allgemeinen eine Vorspannung
in Sperrichtung anzulegen. In vielen Fällen können allerdings auch keine Vorspannungen
in Durchlaßrichtung zulässig und zweckmäßig sein.
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Als Sperrschichtkondensatüren gemäß vorliegender Erfindung können
übrigens auch geeignete Anordnungen verwendet werden, bei welchen, im Gegensatz
zu den Gleichriehtern und den gebräuchlichen Elektrolytkondensatoren, eine Sperrwirkung
gegenüber angelegten Gleichspannungen beiderlei Vorzeichens auftritt.
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Die Sperrschicht und nötigenfalls auch die angrenzenden Halbleiter
müssen erfindungsgemäß derart beschaffen sein, daß die Wechselstromverluste des
Kondensators für den in Frage kom7 menden Frequenz- und Vorspannungsbereich. die
durch die technische Anwendung gegebenen Grenzen nicht überschreiten. und daß die
Kapazitätsänderun,g, welche e.iner bestimmten Vorspannungsände# run,:,- entspricht,
im Vergleich mit dem Ohmschen Verlustwiderstand in dem in Frage kommen-den Frequenz-
und Vorspannungsbereich möglichst groß ist.
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Bei den meisten Anwendungsgebieten ist es auch erforderlich, daß die
erreichbaren Kaparitätsände-. rungen im Vergleich mit der mittleren Kapazität möglichst
groß sind,.
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Obschon der physikalische Mechanismus bei den verschiedenen Sperrschichtkond-ensatoren
nicht durch eine allgeemein gültige Theorie erklärt werden kann, können an, Hand
der p#hysikalischen Fachliteratur sowie auf Grund des umfassenden Erfahrungsmaterials
aus Untersuchungen an Gleichrichtern und Kondensatoren. zahlreiche nützliche Angaben
und Richtlinien für das Verhalten der erfindungsgemäß gekennzeichneten Sperrschichtkondensatoren
und deren Herstellung festgt werden,