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Phasenabhängiger Nullstromindikator
Der Ausschlag Null eines phasenabhängigen
Nullstromindikators für Wechselstrom zeigt an, daß die zu einem Bezugsstrom gleich-
oder gegenphasige (um o oder I80" verschobene) Komponente des zu messenden Stromes
(Nullstrom) zu Null geworden ist. Da die Abweichung vom Nullwert mit möglichst großer
Empfindlichkeit angezeigt werden soll, hat man sich die hohe Empfindlichkeit der
Gleichstromindikatoren (Drehspulgeräte, Relais, Nullmotor) zunutze gemacht, indem
man vor Gleichstromindikatoren phasenabhängige Umformer des Wechselstromes in Gleichstrom
vorschaltete. Derartige phasenabhängige Umformer des Wechselstromes in Gleichstrom
sind Schaltungen mit mechanischen Gleichrichtern oder mit Thermoumformern oder mit
Trockengleichrichtern.
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Die Verwendbarkeit der mechanischen Gleichrichter ist aber nur auf
niedrige Frequenzen beschränkt.
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Diese Gleichrichter haben außerdem den Nachteil, bewegliche Teile
zu besitzen, die einer starken Abnutzung unterworfen sind. Die Thermoumformer und
die Trockengleichrichter sind zwar für höhere Frequenzen verwendbar, aber auch diese
Umformer weisen große Mängel auf. Nullstromindikatoren mit Thermoumformern haben
geringe Empfindlichkeit und große Trägheit, Nullstromindikatoren mit Trockengleichrichtern
dagegen weisen infolge der zeitlichen Inkonstanz, der ungleichen Kennlinien und
der hohen Temperaturabhängigkeit der Trockengleichrichter eine große Nullpunktunsicherheit
auf.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung phasenabhängiger Nullstromindikatoren
mit großer Empfindlichkeit, die die Nachteile dieser bekannten Einrich-
tungen
vermeiden, und bei denen Wechselstrom jeder beliebigen Frequenz durch geeignete
Schaltelemente phasenabhängig in Wechselstrom von jeder anderen gewünschten Frequenz
(einschließlich Gleichstrom) umgeformt werden und bei denen als Anzeigegerät ein
an sich bekanntes, die absolute Stromlosigkeit anzeigendes Gleich- oder Wechselstromgerät
mit hoher Empfindlichkeit (Drehspulmeßwerk, Vibrationsgalvanometer, Telefon usw.)
verwendet werden kann.
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Der neue phasenabhängige Nullstromindikator für Wechselstrom, durch
den diese Aufgabe gelöst wird, besteht also aus einem die absolute Stromlosigkeit
anzeigenden Gleich- oder Wechselstromgerät, dem erfindungsgemäß eine in bezug auf
mindestens eine Schnittlinie symmetrische Widerstandsanordnung aus Wirk- und Scheinwiderständen,
vorzugsweise aber aus rein Ohmschen Widerständen vorgeschaltet ist, die mindestens
zwei belastungsabhängige, insbesondere temperaturabhängige Widerstände enthält,
die außer von dem zu messenden Nullstrom i1 noch von zwei Hilfsströmen Ei und J2
durchflossen werden, wobei an diese symmetrische Widerstandsanordnung einerseits
der Nullstromkreis und sein Hilfsstromkreis galvanisch, induktiv oder kapazitiv
so gekoppelt sind, daß aus der symmetrischen Widerstandsanordnung eine symmetrische
Brückenschaltung oder Differentialschaltung gebildet wird, und andererseits unabhängig
davon das Anzeigegerät und sein Hilfsstromkreis ebenfalls galvanisch, induktiv oder
kapazitiv so angekoppelt sind, daß die gleichfalls aus der symmetrischen Widerstandsschaltung
eine symmetrische Brücken-oder Differentialschaltung bilden. Die Symmetrie der Schaltung
ist dabei so zu verstehen, daß eine Hälfte der Schaltung in elektrischer Hinsicht
als das Spiegelbild der anderen Hälfte betrachtet werden kann.
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Von den beiden Hilfsströmen J1 und J2, die der Schaltung zugeführt
werden, stimmt die Frequenz des Hilfsstromes J1 mit der Frequenz des Nullstromes
i überein.
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Der Hilfsstrom J1 wird als Bezugsstrom des Nullstromes bezeichnet.
Der Hilfsstrom J2 erhält eine dem Nullindikator angepaßte Stromart, d. h. er hat
eine Frequenz f2, die für die Arbeitsweise des Nullindikators am vorteilhaftesten
ist. So verlangt die Verwendung eines Telefons als Nullstromindikator für den Strom,
eine akustische Frequenz, z. B. f2 8oo Hz, ein Drehspulmeßgerät hingegen erfordert
Gleichstrom, also f2 0, ein Vibrationsgalvanometer oder ein Ferrarisgerät wird am
vorteilhaftesten mit der gewöhnlichen Netzfrequenz f2 50 Hz betrieben. Der Erfindungsgedanke
wird zunächst an Hand der in den Abb. I bis 4 gezeigten Schaltungen erläutert, bei
denen die Ströme der Widerstandsanordnung galvanisch zugeführt werden und die die
einfachsten Formen von symmetrischen Brückenschaltungen für phasenabhängige Nullstromindikatoren
darstellen. Die dem Anzeigegerät G vorgeschaltete symmetrische Widerstandsanordnung
besteht in den vier Beispielen der Abb. I bis 4 aus zwei unveränderlichen Widerständen
R1 und zwei belastungsabhängigen, z. B. temperaturabhängigen Widerständen R2. Der
Nullstromil und der Hilfsstrom1, die beide die Frequenz f1 halben, werden an diese
Widerstandsanordnung in der Weise angekoppelt, daß eine symmetrische Brückenschaltung
gebildet wird. Zu diesem Zweck muß einer der beiden Ströme der Frequenz f; an die
in der Symmetrie geraden liegenden Punkte A und B und der andere an die beiden zur
Symmetriegeraden symmetrisch angeordneten Punkte C und C' angeschlossen werden.
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Unabhängig davon soll die Widerstandsanordnung zusammen mit dem Anzeigegerät
G und den Anschlüssen des Hilfsstromes J2 ebenfalls eine symmetrische Brückenschaltung
bilden. Zu diesem Zweck muß der eine Anschluß der Stromkreise der Frequenz f2 (desAnzeigegerätes
GoderdesHilfsstromesJ2) ebenfalls an den Punkten A und B und der andere Anschluß
an zwei zur Symmetriegeraden symmetrisch liegenden Punkten vorgenommen werden, wobei
man vorzugsweise diese symmetrisch liegenden Punkte mit den Punkten C und C' zusammenfallen
läßt. Daraus ergibt sich, daß an jedem Eckpunkt der symmetrischen Wheatstonebrücke
zwei Ströme verschiedener Frequenz f1 und f2 angeschlossen werden und daß jede Diagonale
aus zwei Stromzweigen in Reihen- oder Parallelschaltung gebildet ist. Diese Bedingungen
werden von den vier in den Abb. I bis 4 gezeigten Anschlußmöglichkeiten erfüllt.
Die Arbeitsweise dieser Schaltungen ist nun folgende: Der BezugsstromJ1, der über
eine der beiden Diagonale angeschlossen wird, belastet bei Fehlen des Nullstromes
i1 die Belastungs-bzw. temperaturabhängigen Widerstände R2 gleich hoch, so daß die
Symmetrie der Brückenschaltung auch bei Schwankungen des Bezugsstromes J1 nicht
gestört wird. Auch die Schwankungen der Raumtemperatur, welche an den beiden symmetrisch
angeordneten Widerständen R2 gleiche Widerstandsänderungen hervorrufen, beeinflussen
die Symmetrie der Brücke nicht. Die Anschlußpunkte der anderen Diagonale haben also
bei Fehlen des Nullstromes auf jeden Fall das gleiche Potential. Beim Auftreten
des zu messenden Nullstromes i1 überlagert sich der Nullstrom und sein Bezugsstrom,
und es ergibt sich in je einem von zwei symmetrisch liegenden Zweigen die Summe
und im anderen die Differenz der beiden Ströme i1 und J1. Die symmetrisch angeordneten
belastungsabhängigen Widerstände R2 sind im allgemeinen dann nicht mehr gleich belastet
und haben ungleich große Widerstandswerte. Die Symmetrie der Brücke ist dadurch
gestört. Sind die beiden Ströme i1 und J1 in den temperaturabhängigen Widerständen
um + 90" verschoben, so bleiben die absoluten Werte des Summen- und des Differenzstromes
gleich groß. In diesem Fall bleibt daher auch die Belastung der Widerstände R2 gleich
und ihre Widerstandswerte ändern sich nicht. Infolgedessen bleibt auch die Symmetrie
der Brücke erhalten. Um jetzt aber die phasenabhängige Widerstandsänderung der belastungsabhängigen
Widerstände R2 bzw. das Fehlen der Brückensymmetrie mit einem Nullindikator, z.
B. mit einem Drehspulgalvanometer oder mit einem Telefon, feststellen zu können,
benötigt man einen Hilfsstrom von anderer Frequenz als der Nulistrom und dessen
Bezugsstrom; dieser Hilfsstrom muß im Falle des Drehspulgalvanometers die Frequenz
f2 c (Gleichstrom) und im Falle des Telefons z. B. die
akustische
Frequenz 2 f2 Soo Hz aufweisen. Dieser Hilfsstrom J2 von der Frequenz f belastet
ebenfalls zwei symmetrisch liegende Zweige gleich hoch. Das gleichzeitige Fließen
der beiden Hilfsströme J, und J2 durch die belastungsabhängigen Widerstände R2 stört
die Symmetrie der Brücke in keinem Fall, da diese Ströme verschiedene Frequenzen
(fi und f2) aufweisen und daher keine phasenmäßigen Überlagerungen der beiden Ströme
eintreten können. Die Spannungsdifferenz von der Frequenz f2 zwischen den beiden
Anschlußpunkten, an die das Nullgerät angeschlossen ist, ist so lange gleich Null,
als das Brückengleichgewicht erhalten bleibt. Wird aber die Symmetrie der Brücke
durch die zum Bezugsstrom J1 phasengleiche Komponente des Nullstromes i1 gestört,
so entsteht an den Anschlußpunkten des Nullgerätes eine Spannungsdifferenz mit Frequenz
f2, die vom Nullgerät G angezeigt werden kann. Es ist nun aber nicht erforderlich,
daß die unveränderlichen Brückenwiderstände R1 bei Herstellung der symmetrischen
Brückenschaltungen für die Ströme der Frequenz f1 und der Frequenz f2 beiden Brücken
gemeinsam sind.
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Nur für die belastungsabhängigen Widerstände R2 besteht die Bedingung,
daß sie von den Strömen i,, J,, j2, z. B. von deren Teilen durchflossen werden.
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In der Abb. 5 ist z. B. eine Abwandlung der Schaltung der Abb. I gezeigt,
bei der der Bezugsstrom J, und der Hilfsstrom J2 je eine teilweise eigene symmetrische
Brühe bilden, die nur die symmetrisch angeordneten belastungsabhängigen Widerstände
R2 als gemeinsame Brückenzweige aufweisen, während die beiden anderen Brückenzweige
einmal von den festen Widerständen R1, und das andere Mal von den festen Widerständen
R1,, gebildet werden. Eine weitere Abwandlung der Anordnung der Abb. 5 besteht darin,
daß z. B. die Widerstände R1, Ohmsche Widerstände und die Widerstände R1,, kapazitive
Widerstände sind, oder umgekehrt. Wenn in diesem Fall eine der beiden Frequenzen
f, 4 f2 zu Null wird, so bietet diese Schaltung den Vorteil, daß die kapazitiven
Widerstände den Wechselstromkreis vom Eindringen des Gleichstromes schützen.
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Alle diese Abwandlungen sind natürlich auch bei den Schaltungen der
Abb. 2 bis 4 möglich.
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An Stelle der in den Abb. I bis 5 gezeigten symmetrischen Brückenschaltungen
kann man auch die in den Abb. 6 bis 9 dargestellten symmetrischen Differentialschaltungen
verwenden. Die Schaltungen bestehen in diesem Fall aus den belastungsabhängigen
Widerständen R2 und den Wicklungen 1V1, 1V2, W3 eines Differenüalwandlers. Von den
Strömen derselben Frequenz wird einer mit galvanischer Kopplung den in der Symmetriegeradenliegenden
Anschlußpunkten A und B zugeführt, der andere Strom muß hingegen induktiv mit Hilfe
des Wandlers den symmetrisch angeordneten Zweigen des Wandlers zugeführt werden.
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Es ergeben sich aus der Kombination der verschiedenen Anschlußmöglichkeiten
gerade so wie bei der symmetrischen Brückenschaltung vier Schaltungen (Abb. 6 bis
9). Auch hier überlagert sich der Nullstromi, und sein Bezugsstrom J, so, daß in
einem der belastungsabhängigen Widerstände die Summe der beiden Ströme und im anderen
die Differenz dieser Ströme zustande kommt. Die Aufrechterhaltung der Symmetrie
der Schaltung, d. h. das Bestehen einer gleichmäßigen Belastung der beiden Widerstände
R2 bzw. das Fehlen eines Spannungsabfalles für die Ströme der Frequenz f2 an den
Anschlußpunkten des Nullgerätes G ist auch in diesem Fall ein Anzeichen dafür, daß
der Nullstrom i1 gegen seinen Bezugsstrom J, keine gleich- oder gegenphasige Komponente
aufweist.
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Die in den Abb. 6 bis 9 gezeigten Schaltungen können nur für Wechselströme
verwendet werden, deren Frequenz von Null verschieden ist. Will man aber bei der
Differentialschaltung mit einem Gleichstromnullindikator arbeiten, dann muß man
ein Gleichstromanzeigegerät mit zwei Wicklungen benutzen, die in der Differentialschaltung
an zwei symmetrische Zweige angeschlossen sind, wie es in der Abb. Ic gezeigt ist.
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Wie in Abb. II gezeigt ist, besteht auch noch die Möglichkeit, daß
die symmetrische Widerstandsanordnung für das eine Stromsystem, z. B. das mit der
Frequenz f1 des Nullstromes, als Differentialschaltung und das andere Stromsystem
mit der Frequenz f2 als symmetrische Brückenschaltung ausgebildet wird.
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Das Ausführungsbeispiel der Abb. II mag als Hinweis für diese Schaltungsmöglichkeit
genügen; es erübrigt sich, alle Kombinationen anzuführen, die sich aus den verschiedenen
Anschlußmöglichkeiten der oben gezeigten symmetrischen Brücken- und Differentialschaltungen
ergeben.
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Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, daß die Frequenz f1 =
o wird, d. h. daß der Nullstromil und der Bezugsstrom J1 Gleichströme sind. Der
Hilfsstrom 12 hat dann notwendigerweise eine Frequenz f2 t O. Da der Ausdruck phasenabhängig
für Gleichstrom ungebräuchlich ist und die Phasenabhängigkeit bei Gleichstrom in
eine Richtungsabhängigkeit übergeht, so wird in diesem Sonderfall besser von einer
Richtungsabhängigkeit gesprochen.
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Dieser Sonderfall hat deshalb praktische Bedeutung, weil er zur Umformung
des Gleichstromes in Wechselstrom zum Zweck der Verstärkung des Nullstromes durch
einen Röhrenverstärker dienen kann.
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Bei all diesen Schaltungen (Abb. I bis II) sind die beiden Hilfsstromkreise,
der Nullstromkreis und der Stromkreis des Nullindikators, über die Widerstandsschaltung
miteinander gekoppelt, und auf diese Weise ist jeder Kreis dem Eindringen der fremden
Frequenz aus dem anderen Stromsystem ausgesetzt. Je nach der Bemessungsanordnung
der Schaltung kann sich das mehr oder weniger störend auswirken und die Anordnung
kann an Empfindlichkeit einbüßen. Wenn es nötig ist, kann man aber die einzelnen
Kreise mit Hilfe an sich bekannter Mittel, z. B. mit Kondensatoren, Drosselspulen,
Resonanzkreisen und Siebketten gegen das Eindringen der fremden Frequenz schützen.
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An Hand des praktischen Anwendungsbeispides der Abb. 12 wird schließlich
noch gezeigt, wie man die beiden Hilfsströme J1 und J2 Z. B. einem Netzanschlußgerät
entnehmen und einer symmetrischen Brückenschaltung zuführen kann und wie die einzelnen
Stromkreise gegen das Eindringen der fremden Frequenz geschützt werden. Der Nullstromil
hat in diesem Beispiel die Frequenz der Wechselstrom-
quelle U,
aus der über den Transformator T1 der Bezugsstrom J1 entnommen und der Brückenschaltung
zugeführt wird. Als Nullindikator G soll im Beispiel der Abb. 12 ein Gleichstromgerät,
z. B. ein Drehspulgerät, verwendet werden. Der Hilfsstrom J2 muß daher die Frequenz
f2 = o haben, d. h. J2 muß der Gleichstrom sein. Der Gleichstrom J2 wird einer Gleichrichteranordnung
Gl entnommen, die über eine eigene Sekundärwicklung des Transformators T1 ebenfalls
an die Wechselstromquelle U angeschlossen ist. Der Kondensator C1 und die Drosselspule
L1 dienen zur Glättung des gleichgerichteten Bezugsstromes J2, dem der Bezugsstrom
J1 überlagert wird. Die Drosselspule, dient außer zur Glättung des gleichgerichteten
Stromes J2 auch dazu, das Eindringen des Hilfsstromes, in den Gleichrichterkreis
zu verhindern.
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Der Kondensator C2 dagegen sperrt den GleichstromJ2 ab und vermeidet
dessen Kurzschließen über die den Bezugsstrom J1 zuführende Sekundärwicklung des
Transformators T1.
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Die Übersetzungen der beiden Sekundärwicklungen des Transformators
T1 richtet sich nach dem geforderten Verhältnis der Effektivwerte beider Ströme,
das bei der in der Abb. 12 angegebenen Schaltung den Wert I beträgt, um ihre Höchstempfindlichkeit
zu erreichen. Die überlagerten Hilfsströme J1 und J2 werden der neuen symmetrischen
Widerstandsanordnung nach dem Erfindungsgedanken zugeführt, in welcher zwei aneinander
anstoßende Arme der Brücken mit den temperaturabhängigen Widerständen R2, die zwei
anderen aber mit zwei unveränderlichen Widerständen R1 besetzt sind. Da die beiden
Hilfsströme J1 und J2 über dieselbe Diagonale wie im Beispiel der Abb. I zugeführt
werden, müssen die Anschlüsse des Nullstromes i1 und des Nullindikators parallel
oder in Reihe an die andere Diagonale angeschlossen werden. Im Beispiel der Abb.
12 wurde die Reihenschaltung gewählt. Als Überbrückungsmittel für den Nullstrom
dient ein Wandler T2, der gleichzeitig die Aufgabe der Anpassung des Meßkreises
an die Schaltung übernehmen kann. Der Kondensator C2 übernimmt die Vorbeiführung
des Nullstromes i1 am Gleichstrommeßwerk.
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Damit die Vorteile der beschriebenen phasenabhängigen Nullindikatoren
voll ausgenutzt werden können, muß die Konstanz der belastungs- bzw. temperaturabhängigen
Widerstände sehr hoch sein, so daß die Symmetrie der Anordnung nicht durch eine
ungleichmäßige Alterung dieser Widerstände verlorengeht. Von den belastungsabhängigen
Widerständen wird diese Forderung im hohen Maße von mäßig belasteten temperaturabhängigenWiderständen,
insbesondere von Metallwiderständen, z. B. Wolframwiderständen, erfüllt. Eine zweite
Forderung, die an diese Widerstände gestellt wird, besteht darin, daß sie paarweise
wenigstens im Arbeitsgebiet gleiche Charakteristik aufweisen. Wenn man z. B. von
Glühlampen Gebrauch machen will, wird man je zwei Glühlampen mit gleichen Spannungs-
Strom-Charakteristiken im betreffenden Belastungsgebiet aussuchen.
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Werden diese belastungsabhängigen Widerstände eigens für die Schaltungen
nach der Erfindung hergestellt, so wird es zweckmäßig sein, je zwei Widerstände
aus demselben Material herzustellen und in einem gemeinsamen Kolben unterzubringen,
womöglich in einer Schutzgasatmosphäre, z. B. von Stickstoff oder Wasserstoff, damit
sie genau denselben Einflüssen, z. B. Gasdruck und Temperatur, ausgesetzt sind,
wodurch die Annäherung an die Gleichheit der Kennlinie leichter erreicht wird. Durch
die Gasdrud:-höhe im Kolben, in dem diese Widerstände angeordnet sind, kann man
gegebenenfalls die Zeitkonstante der belastungsabhängigen Widerstände in weiten
Grenzen einstellen. Durch einen geeigneten Druck kann die Zeitkonstante auf Bruchteile
einer Sekunde herabgesetzt werden und die Trägheit der Schaltung auf einen zulässigen
Wert vermindert werden.
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Betrachtet man das Verhältnis der vom Nullstrom der Schaltung zugeführten
Energie und der an den Klemmen des Nullgerätes gewonnenen nutzbaren Energie, so
findet man, daß dieses Verhältnis nicht nur von der Phase des Nullstromes zum Bezugsstrom
und von der Anordnung und Bemessung der Schaltung, sondern auch vom Verlauf der
Widerstandskennlinie der belastungsabhängigen Widerstände und der Lage des Arbeitspunktes
abhängig ist. Steigende Kennlinien der belastungsabhängigen Widerstände ergeben
für dieses Verhältnis bekanntlich einen Wert unter I; fallende Kennlinien können
unter Umständen einen Wert größer als I hervorrufen.
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Durch die Verwendung belastungsabhängiger Wider stände mit fallender
Strom- Spannungs-Charakteristik (negative Widerstände) ist es möglich, diese Schaltungen
gleichzeitig zur Energieverstärkung zu verwenden.
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Der Arbeitspunkt an der Widerstandskennlinie wird durch die beiden
Hilfsströme Jl und J2 gemeinsam gebildet.
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Seine optimale Lage auf der Kennlinie findet man bei temperaturabhängigen
Widerständen folgendermaßen: Die Kennlinie wird in die U2-I2-Kennlinie umgezeichnet.
Für verschiedene I2-Werte legt man die Tangenten an die Kurve und stellt den Schnittpunkt
mit der I2-Achse bzw. dessen Wert 1o2 fest. Der Punkt der Kurve, der das größte
Verhältnis 102 : 12 aufweist, ist der günstigste Arbeitspunkt.