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Magnetverstärker Die Erfindung bezieht sich auf einen ' Magnetverstärker,
bei welchem der induktive Widerstand von Drosselspulen durch Beeinflussung der Peimeabilität
der Spulenkerne mittels vom Eingangsstrom erzeugter magnetischer Flüsse zur Steuerung
des dem Verbraucher zugeführten Drosselspulen-Ausgangsstromes geändert wird.
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Als Arbeitsstrom wird periodisch veränderlicher, einen Gleichstromanteil
enthaltender Strom benutzt. Ein solcher Strom kann zerlegt werden in einen reinen
Gleichstromanteil und einen reinen Wechselstromanteil. Beide Anteile erzeugen in
den Kernen magnetische Arbeitsflüsse, nämlich einen Gleichfluß und einen Wechselfluß.
Dem Arbeitsgleichfluß überlagert sich der vom Eingangsstrom erzeugte Fluß, der beispielsweise
ein Gleichfluß ist, wenn als Eingangsstrom ein Gleichstrom Verwendung findet. Durch
diese Überlagerung wird der Gleichfluß in den Kernen vergrößert oder vermindert
und damit eine Verminderung oder Vergrößerung der Permeabilität bzw. des Widerstandes
der Arbeitswicklungen bewirkt. Die Widerstandsänderung der Wicklung bewirkt ihrerseits
eine Stromänderung und damit wiederum eine Änderung des Arbeitsgleichflusses. Der
Arbeitsgleichfluß ist daher während des Aussteuerungsvorganges nicht konstant, sondern
eine Funktion des Eingangsstromes. Diese Wechselwirkung stellt eine innere Rückkopplung
dar, die eine hohe Empfindlichkeit der Anordnung, d. h. eine große Änderung des
Stromes in der Arbeitswicklung, bezogen auf die Änderung des Stromes in der Eingangswicklung,
bewirkt. Es ist bekannt,
eine solche innere Rückkopplung dadurch
herbeizuführen, daß in Reihe mit den Arbeitswicklungen der Drosseln Ventile geschaltet
werden.
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Derartige Anordnungen können dadurch verbessert werden, daß der vom
Eingangsstrom beeinflußte Strom des Verstärkers ganz oder teilweise zur Erzeugung
zusätzlicher magnetischer Flüsse in den Drosselkernen benutzt wird. Zu diesem Zweck
hat man den gleichgerichteten Verbraucherstrom über eine Rückkopplungswicklung auf
den Drosselkernen geführt, so daß also zusätzlich zu der inneren Rückkopplung noch
eine äußere Rückkopplung vorhanden ist.
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Die Erfindung betrifft eine neuartige Methode zur Anwendung einer
zusätzlichen äußeren Rückkopplung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen
Flüsse durch .Zusatzwicklungen erzeugt sind, die in Halbwellenstrom führende Strompfade
der Verstärkeranordnung eingeschaltet sind und einen solchen Wicklungssinn haben,
daß der von ihnen erzeugte zusätzliche Fluß die gleiche Richtung hat wie der von
der zugehörigen Arbeitswicklung jeweils erzeugte Fluß. Auf diese Weise ergeben sich
Rückkopplungsschaltungen mit besonders geringem Aufwand, da für den Rückkopplungsstrom
keine eigenen Gleichrichter erforderlich sind.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung seien im folgenden näher beschrieben.
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In Fig. i ist eine Verstärkeranordnung mit zwei Systemen I, II schematisch
dargestellt, deren jedes für sich einen Verstärker bildet. Beim Ausführungsbeispiel
weist das einzelne System zwei Kerne i, 2 bzw. 1i, 12 mit auf diesen angeordneten
Arbeitswicklungen 3, 4 bzw. 13, 14 auf. Die Kerne bestehen aus magnetisch gut durchlässigem
Stoff, z. B. einer Eisen-Nickel-Legierung, und sind als geschlossene Kerne ausgebildet.
Die beiden Kerne eines Systems- können gegebenenfalls durch einen einzigen mehrschenkeligen
Kern gebildet sein. Die Arbeitswicklungen 3, 13 bzw. 4, 14 sind wechselweise mit
Hilfe an sich bekannter, periodisch arbeitender Unterbrecher 6, 7, 16 aus einem
Gleichstromnetz 27 mit periodisch veränderlichem, einen Gleichstromanteil enthaltendem
Strom gespeist. Die Arbeitsströme erzeugen in den Kernen magnetische Flüsse, deren
(über jeweils eine ganze Periode der Unterbrecher vorhandene) Gleichflußanteile
durch die Pfeile 9, i9 bzw. io, 2o versinnbildlicht sind. Die gestrichelten Pfeile
gelten für die gestrichelt angedeuteten, die eine Halbperiode bildenden Schaltstellungen,
die punktierten Pfeile für die punktiert angedeuteten, die andere Halbperiode bildenden
Schaltstellungen der Unterbrecher. Im Stromkreis der Arbeitswicklungen der beiden
Systeme liegt je ein Gleichstromverbraucher 5, 15. Auf jeweils den beiden
Kernen der beiden Systeme sind die Eingangswicklungen 8, i8 angeordnet, die von
einem bei 22 vorgesehenen Geber z. B. mit einem Gleichstrom gespeist sind.
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Zum Verständnis des Wesens der Erfindung sei die Wirkungsweise des
durch System I gebildeten Verstärkers näher erläutert. In den gestrichelt angedeuteten
Stellungen der Mittelkontakte der Unterbrecher 6, 7 fließt ein Arbeitsstrom durch
die Arbeitswicklung 3 und eine Wicklung 23, deren Bedeutung an späterer Stelle näher
erläutert wird, über den Unterbrecher 6 durch den Verbraucher 5 und über den Unterbrecher
7. Während der punktiert angedeuteten Stellungen der erwähnten Mittelkontakte fließt
der Arbeitsstrom über den Unterbrecher 7 in umgekehrter Richtung durch den @7erbraucher
5, über den Unterbrecher 6, durch die Arbeitswicklung 4 und eine weitere Wicklung
24, deren Bedeutung ebenfalls an späterer Stelle näher erläutert ist. Es sei zunächst
angenommen, daß die beiden Wicklungen 23, 24 nicht vorhanden sind. Ist die Eingangswicklung
8 stromlos (Nullstellung), so sind - gleiche Arbeitswicklungen und gleiche Kerne
vorausgesetzt - die beiden Arbeitsströme gleich groß, der Gleichstromverbraucher
5 ist dann von einem reinen Wechselstrom durchflossen, der entweder für den Verbraucher
von vornherein ohne Bedeutung ist oder durch Siebmittel, z. B. Kondensatoren, beliebig
klein gehalten wird. Fließt in der Eingangswicklung ein Steuerstrom, so erzeugt
dieser in den beiden Kernen magnetische Flüsse, die für eine bestimmte Richtung
des Eingangsstromes durch den Pfeil 21 versinnbildet sind. Diese Flüsse überlagern
sich den Arbeitsgleichflüssen, und zwar addieren sich beide Flüsse im Kern i, während
sie im Kern 2 einander entgegenwirken. Das bedeutet ein Anwachsen des die Wicklung
3 und den Verbraucher 5 durchfließenden Arbeitsstromes und eine entsprechende Verringerung
des die Wicklung 4 und den Verbraucher 5 durchfließenden Arbeitsstromes. Während
einer ganzen Periode der Unterbrecher, also jeweils während der beiden erwähnten
Schaltstellungen der Mittelkontakte, ist somit der Verbraucher von einem Gleichstrom
bestimmter Richtung durchflossen, der sich aus der Differenz der Gleichstromanteile
der Arbeitsströme ergibt. Kehrt der Steuerstrom seine Richtung um, so ändert sich
damit die Richtung des den Verbraucher durchfließenden Gleichstromes.
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Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, daß die Arbeitsströme
dazu verwendet werden können, zusätzliche Flüsse in den Kernen zu erzeugen, durch
welche die Charakteristik des Verstärkers beeinflußt werden kann. Es hat sich gezeigt,
daß z. B. die Steilheit der Charakteristik -Ausgangsstrom über Eingangsstrom - dadurch
um mehrere Zehnerpotenzen gesteigert werden kann, ohne daß die Anordnung instabil
wird. Dieser Gedanke läßt sich mit Hilfe der im vorstehenden erwähnten zusätzlichen
Wicklungen 23, 24 verwirklichen, die auf den beiden Kernen in analoger Weise wie
die vom Eingangsstrom durchflossenen Wicklungen angeordnet sind. Die Wicklung 23
ist vom Strom der Arbeitswicklung 3 und die Wicklung 24 vom Strom der Arbeitswicklung
4 durchflossen. Der Strom dieser Wicklungen kann wiederum zerlegt werden in einen
Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil, beide Stromanteile bewirken in den
Kernen magnetische Flüsse. Die Verhältnisse sind sehr verwickelt, da die Wirkungen
der beiden Stromanteile bzw. Flußanteile auf die Anordnung
verschiedenartig
sind, da sich weiterhin im allgemeinen mit der Größe des Eingangsstromes das Verhältnis
der Anteile zueinander ändert und diese Änderungen außerdem nach Größe und Richtung
vom Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie abhängen, der durch die Größe
der angelegten Spannung wählbar ist.
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Der Gleichstromanteil erzeugt in den Kernen magnetische Gleichflüsse.
Die Verhältnisse sind so getroffen, daß bei der angenommenen Richtung des Eingangsstromes
der Gleichfluß 25 denselben Richtungssinn besitzt wie der vom Eingangsstrom erzeugte
Fluß 21, während der Gleichfluß 26 entgegengesetzt gerichtet ist. In der Nullstellung
sind beide Gleichflüsse gleich groß, heben sich daher in ihrer Wirkung auf, und
in den beiden Kernen wird durch die Ströme der beiden Wicklungen 23, 24 ein Wechselfluß
erzeugt. Fließt in der Eingangswicklung 8, wie angenommen, ein Gleichstrom, so wird
der Gleichfluß 25 entsprechend der Vergrößerung des Arbeitsstromes der Wicklung
3 vergrößert, während der Gleichfluß 26 entsprechend verkleinert wird. Es ergibt
sich somit ein resultierender Gleichfluß, der im Sinne des vom Eingangsstrom erzeugten
Flusses wirkt. Kehrt der Eingangsstrom seine Richtung um, so überwiegt der Gleichfluß
26 gegenüber dem Gleichfluß 25. Der resultierende Gleichfluß hat wiederum denselben
Richtungssinn wie der Steuerfluß 21. Die resultierenden Gleichflüsse unterstützen
also bei beiden Richtungen des Eingangsstromes dessen Wirkung.
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Der Wechselstromanteil der Ströme in den Kopplungswicklungen 23, 24
erzeugt in den Kernen magnetische Kopplungswechselflüsse, die im allgemeinen je
nach der Phase gegenüber den mittels der Arbeitswicklungen erzeugten Arbeitswechselflüssen
deren Wirkung auf die Anordnung unterstützen oder schwächen. Sucht der Kopplungswechselfluß
eine Verminderung des resultierenden Wechselflusses hervorzurufen, so tritt eine
Verminderung des Widerstandes der Arbeitswicklung ein, sucht dagegen der Kopplungswechselfluß
den resultierenden Wechselfluß zu vergrößern, so tritt eine Erhöhung des Widerstandes
der Arbeitswicklung ein. Der Wechselstromanteil kann bei dem Aussteuerungsvorgang
je nach der Lage des Arbeitspunktes auf der Magnetisierungskennlinie, die durch
die Größe der angelegten Spannung charakterisiert ist, entweder unverändert bleiben
oder mit der Aussteuerung zunehmen oder abnehmen, wobei die Änderung für beide Richtungen
des Eingangsstromes gleichartig erfolgt. Bleibt er konstant, so braucht sein Einfluß
auf die Kopplungsverhältnisse nicht berücksichtigt zu werden. Ändert er sich mit
dem Eingangsstrom, so kann sein Einfluß mit Hilfe von Siebmitteln, z. B. Kondensatoren,
beliebig klein gehalten werden, oder er kann für die Kopplung Verwendung finden.
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Der Kopplungsgrad kann im Sinne der Beeinflussung der Charakteristik
in gewünschter Weise gewählt werden. Er kann konstant oder veränderbar sein, wobei
eine Einstellung des Kopplungsgrades durch Wahl der Windungszahl oder durch Regelung
des Widerstandes des Kopplungskreises möglich ist. Die Regelung kann von Hand oder
selbsttätig erfolgen, z. B. mit Hilfe von selbstregelnden Widerständen, wie spannungsabhängigen
Widerständen od. dgl.
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In der Eingangswicklung 8 des Systems I wird eine Wechselspannung
induziert. Um diese von dem den Eingangsstrom liefernden Geber fernzuhalten, ist
das System II vorgesehen, das hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise ganz dem System
I nachgebildet ist. Die auf den beiden Kernen i i, r2 angeordnete, hier in Reihe
mit der Wicklung 8 liegende Eingangswicklung 18 ist vom Eingangsstrom in der gleichen
Richtung wie die erstgenannte Wicklung durchflossen. Die von dem Eingangsstrom in
den beiden Kernen i i, i2 erzeugten Flüsse sind durch den Pfeil 31 versinnbildlicht.
Auf den beiden Kernen sind in analoger Weise, wie beim System I, zwei Kopplungswicklungen
33, 34 vorgesehen, deren eine, 33, von dem Arbeitsstrom der Wicklung 13 und
deren andere, 34, von dein Arbeitsstrom der Wicklung 14 durchflossen ist. Die durch
die Ströme dieser Wicklungen erzeugten Kopplungsgleichflüsse sind durch die Pfeile
35, 36 versinnbildlicht, wobei wiederum die gestrichelten Pfeile für die gestrichelten
Schaltstellungen und die punktierten Pfeile für die punktierten Schaltstellungen
der Unterbrecher gelten. Die durch die Pfeile angedeuteten Flußverhältnisse sind
aus der Zeichnung ohne weiteres ersichtlich. Zum Unterschied von dem System I überwiegt
bei der in der Zeichnung angenommenen Richtung des Eingangsstromes in der gestrichelt
angedeuteten Stellung der Kopplungsgleichfluß 36 gegenüber dem Kopplungsgleichfluß
35, so daß der resultierende Kopplungsgleichfluß bei dieser Schaltstellung die Wirkung
des Eingangsstromes unterstützt. Die beiden Verbraucher 5, 15 arbeiten also jeweils
bei einer bestimmten Richtung des Eingangsstromes im gleichen Sinne.
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In der Steuerwicklung 18 wird in analoger Weise wie in der Wicklung
8 des Systems I eine Wechselspannung induziert. Diese induzierte Spannung ist gegenüber
der in der Wicklung 8 induzierten Spannung um i8o° phasenverschoben, so daß diese
beiden Wechselspannungen sich praktisch aufheben und den den Eingangsstrom liefernden
Geber nicht beeinflussen.
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In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel .dargestellt, bei welchem .der
Verstärker aus einem Wechselstromnetz 59 gespeist ist. Der Verstärker weist wiederum
zwei je für sich einen Verstärker bildende Systeme I, 1I auf, von denen jedes eine
Brückenschaltung darstellt. Die vier Brückenzweige des Systems I sind gebildet von
den beiden gleich großen Widerständen 39, 40, z. B. einer Drosselspule mit Mittelanzapfung,
und den beiden auf den Kernen 41, 42 angeordneten Arbeitswicklungen 43, 44 mit zugehörigen
Gleichrichtern einer Gleichrichteranordnung 45. Die vier Brückenzweige des Systems
II sind in analoger Weise gebildet von den Widerständen 39, 40 und den auf den Kernen
5 i, 52 angeordneten Arbeitswicklungen 53, 54 mit zugehörigen
Gleichrichtern
der Gleichrichteranord.-nung 55. Im Diagonalzweig des Systems I liegt ein Gleichstromverbraucher
46 und die Kupplungswicklung 47, im Diagonalzweig des Systems II ein Gleichstromverbraucher
56 und eine Kopplungswicklung 57. Den beiden Kernen 44 42 ist eine Eingangswicklung
48, den beiden Kernen 51, 52 eine mit der erstgenannten in Reihe liegende Eingangswicklung
58 zugeordnet, die beide von einem bei 49 vorgesehenen Geber beispielsweise mit
Gleichstrom gespeist sind.
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Im Gegensatz zu der vorbeschriebenen Anordnung sind die Arbeitswicklungen
jedes Systems, bedingt durch die Wahl der Durchlaßrichtung der Einweggleichrichter,
gleichzeitig während einer Halbperiode des Wechselstromes wirksam, wobei das eine
System während der einen Halbperiode und das andere System während der anderen Halbperiode
arbeitet. Die von den Arbeitsströmen des Systems I herrührenden Gleichflüsse in
den Kernen 41, 42 sind durch die gestrichelten Pfeile 6o, 61 und diejenigen in den
Kernen 5i, 52 des Systems II durch die punktierten Pfeile 70, 71 versinnbildlicht.
Es sei zunächst das System I betrachtet. In der Nullstellung sind die Widerstände
der Arbeitswicklungen 43, 44, wiederum gleiche Wicklungs-und Kernverhältnisse vorausgesetzt,
gleich groß, die Punkte a, b besitzen daher das gleiche Potential, der Verbraucher
46 ist stromlos. Fließt ein Eingangsstrom, so erzeugt er bei einer bestimmten Stromrichtung
magnetische Flüsse in den Kernen, die durch den Pfeil 62 versinnbildlicht sind.
Diese Flüsse wirken im Kern 41 im Sinne des Arbeitsgleichflusses, im Kern 42 im
entgegengesetzten Sinn. Durch den Eingangsstrom wird somit der Widerstand der Arbeitswicklung
43 verkleinert und derjenige der Wicklung 44 vergrößert, die Brückenschaltung ist
nicht mehr im Gleichgewicht, durch den Verbraucher 46 fließt ein Strom in einer
bestimmten Richtung, wie durch den Pfeil 63 angedeutet ist. Kehrt der Eingangsstrom
seine Richtung um, so ändern sich die Widerstände der Arbeitswicklungen in entsprechender
Weise, der Verbraucher 46 wird von einem Strom in umgekehrter Richtung durchflossen.
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Ganz analog liegen die Verhältnisse beim System II, das in derselben
Weise wie das System I aufgebaut ist. Es besteht aus den beiden Kernen 5i, 52 mit
den Arbeitswicklungen 53, 54 und den zugehörigen Gleichrichtern der Gleichrichteranordnung
55. Im Diagonalzweig der Brückenschaltung liegt der Verbraucher 56 und eine Kopplungswicklung
57. Den beiden Kernen ist eine mit der Steuerwicklung 48 in Reihe liegende Steuerwicklung
58 zugeordnet. Die durch die Arbeitsströme in den Kernen erzeugten Arbeitsgleichflüsse
sind, wie erwähnt, durch die Pfeile 70, 71 versinnbildlicht. Der vom Eingangsstrom
bei der angenommenen Stromrichtung erzeugte Fluß ist durch den Pfeil 72 angedeutet.
In der Nullstellung sind die Widerstände der Arbeitswicklungen, bei entsprechend
gleicher Bemessung dieser Wicklungen und ihrer Kerne, wiederum gleich groß, der
Verbraucher daher stromlos. Fließt in der Eingangswicklung ein Gleichstrom der angenommenen
Richtung, so ist der Widerstand der Wicklung 53 kleiner gegenüber demjenigen der
Wicklung 54, der Verbraucher 56 wird von einem Strom der durch den Pfeil 73 angegebenen
Richtung durchflossen. Kehrt der Eingangsstrom seine Richtung um, ändert sich der
Widerstand der Arbeitswicklungen in entsprechender Weise, der Verbraucher wird von
einem Strom entgegengesetzter Richtung durchflossen. Das System II arbeitet, wie
erwähnt, während der anderen Halbperiode des Wechselstromes.
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Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die Ströme der
Arbeitswicklungen eines Systems dazu verwendet, zusätzliche Kopplungsflüsse in den
Kernen des gleichen Systems zu erzeugen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 durchfließt
der Strom eines Strompfades des Systems I, z. B. der Strom des Verbrauchers 46,
die Kopplungswicklung 47, die den Kernen des Systems 1I zugeordnet ist, während
der Strom eines Strompfades des Systems II, z. B. der Strom des Verbrauchers 56,
die Kopplungswicklung 57, die den Kernen des Systems I zugeordnet ist, durchfließt.
In der Nullstellung sind die Verbraucherströme und damit die Ströme in den Kopplungswicklungen
gleich Null. Bei der Aussteuerung fließen in den Kopplungswicklungen Ströme, die
in den Kernen magnetische Flüsse erzeugen. Bei der angenommenen Richtung des Eingangsstromes
besitzen .die Gleichflußanteile den durch die Pfeile 64, 74 angegebenen Richtungssinn.
Die Verhältnisse sind, wie sich aus der Figur ergibt, so gewählt, daß diese Flüsse
den gleichen Richtungssinn besitzen wie die vom Eingangsstrom erzeugten Flüsse.
Kehrt der Eingangsstrom seine Richtung um, so kehren auch die Kopplungsflüsse entsprechend
der Umkehr der Stromrichtung in den Verbrauchern ihren Richtungssinn um und besitzen
dann wiederum den Richtungssinn der vom Eingangsstrom erzeugten Flüsse. Die Kopplungsflüsse
unterstützen. demnach bei beiden Richtungen des Eingangsstromes dessen Wirkung.
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Die beiden Möglichkeiten, die in den Arbeitswicklungen eines Systems
fließenden Ströme zu Kopplungszwecken auf das gleiche System oder auf ein zweites
System zur Einwirkung zu bringen, können auch gleichzeitig vorgesehen sein.
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Betrachtet man eines der beiden Systeme I oder II des Ausführungsbeispieles
nach Fig. i für sich, so erkennt man, daß unter Verwendung von zwei Drosseln der
Strom einer Drossel zur Erzeugung der zusätzlichen Flüsse in den beiden Drosselkernen
verwendet wird. Statt dessen kann man auch den Strom jeweils einer Drossel zur Erzeugung
der zusätzlichen Flüsse in dem anderen Drosselkern verwenden. Ferner ist es möglich,
den Strom beider Drosseln zur Erzeugung zusätzlicher Flüsse in einem oder beiden
Drosselkernen heranzuziehen.
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Bei Magnetverstärkern aus zwei Systemen mit je zwei Drosseln kann
der Arbeitsstrom der einen Drossel des einen Systems zur Erzeugung zusätzlicher
Flüsse in einer oder beiden Drosseln des anderen
Systems verwendet
werden. Außerdem kann auch der Arbeitsstrom der einen Drossel im eigenen System
einen zusätzlichen Fluß erzeugen.
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Bei den Ausführungsbeispielen ist als Eingangs-bzw. Steuerstrom ein
Gleichstrom verwendet worden. Statt des Gleichstromes kann auch Wechselstrom benutzt
werden, dessen Frequenz gleich oder kleiner ist als diejenige der verwendeten Arbeitsströme.