CH651437A5 - Vorschaltanordnung zum betreiben einer entladungslampe. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorschaltanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe, bestehend aus einem an 50 45 oder 60 Hz, 110 bzw. 220 V Wechselspannung betriebenen Wandlerteil, über das die Speisung der Lampe mit Wechselspannung mit einer Frequenz von bis zu 100 kHz erfolgt,
einer der Lampe zur Strombegrenzung vorgeschalteten Induktivität und einem Zündteil.
so Die bisher bekannten elektronischen Vorschaltgeräte für den Tonfrequenz-Betrieb von Entladungslampen - z.B. Sperrwandler oder Gegentaktwandler - basieren auf dem selbstschwingenden Oszillatorprinzip. Von Nachteil ist bei diesen Geräten ein mässiger Wirkungsgrad von etwa 60 bis 80%, 55 bedingt durch relativ langzeitige Schaltvorgänge. Des weiteren sind diese Geräte nicht frequenzstabil, es treten lastabhängige Frequenzänderungen auf.
Insbesondere der Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen macht aber erforderlich, dass das Vorschaltgerät eine sta-60 bile, auf die Lampe abgestimmte Frequenz liefert. In bestimmten Frequenzbereichen zeigt nämlich der Entladungs-bogen einer Hochdruck-Entladungslampe gewisse, durch Resonanzeffekte hervorgerufene, Instabilitäten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektroni-65 sehe Vorschaltanordnung zu schaffen, mit der sich zum einen ein einwandfreier Lampenbetrieb erreichen lässt - insbesondere bei Hochdruckentladungslampen -, zum anderen sollen sich damit Geräte realisieren lassen, die im Volumen klein
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sind, ein geringes Gewicht haben und eine im Vergleich zu herkömmlichen Vorschaltgeräten geringere Verlustleistung aufweisen.
Diese Aufgabe ist bei einer Vorschaltanordnung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass das Wandlerteil eingangsseitig eine Gleichrichtervorrichtung enthält, der eine Reihenanordnung aus zwei Kondensatoren gleicher Kapazität parallel geschaltet ist, wobei der Mittelabgriff zwischen den beiden Kondensatoren - über die strombegrenzende Induktivität - an die eine Elektrode der Lampe gelegt ist und die beiden äusseren Kondensatoranschlüsse jeweils über einen elektronischen Schalter mit der zweiten Elektrode der Lampe verbunden sind, und dass ein Steuerteil vorgesehen ist, über das die beiden elektronischen Schalter abwechselnd mit konstanter Frequenz stromleitend oder stromsperrend werden, so dass am Lampenstromkreis eine rechteckförmige Wechselspannung der genannten Frequenz anliegt.
Durch gezielte Ansteuerung der beiden elektronischen Leistungsschalter - es sind vorteilhaft Schalttransistoren verwendet - lassen sich extrem kurze Schaltzeiten erreichen; hierdurch kann die Verlustleistung der Schalter auf ein Minimum gebracht werden. Die von einer solchen Vorschaltanordnung abgegebene Frequenz ist weitestgehend lastungsab-hängig. So kann der Lampenbetrieb mit einer stabilen Frequenz erfolgen. Dies macht ein derartiges Vorschaltgerät insbesondere für den Betrieb von Hochdruck-Entladungslampen geeignet; die Betriebsfrequenz sollte dabei in einem Bereich liegen, in dem die jeweilige Lampe ein stabiles Brennverhalten zeigt. Im Prinzip lassen sich jedoch mit der erfindungsge-mässen Vorschaltanordnung auch Niederdruck-Entladungslampen betreiben.
Die Erfindung ist beispielsweise anhand der folgenden Figuren, die neben dem Prinzipaufbau auch Ausführungsbeispiele (vorteilhafte Schaltungsanordnungen) wiedergeben, näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild der Vorschaltanordnung.
Figur 2 gibt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels -mit Resonanzzündteil - wieder, ohne Steuerteil.
Figur 3 ist das Schaltbild des entsprechenden Steuerteils.
Figur 4 zeigt ein im Zündteil modifiziertes Schaltbild (weiteres Ausführungsbeispiel), wobei die übrigen Schaltungsteile im Blockschema wiedergegeben sind.
Das Blockschaltbild der Figur 1 gibt den Prinzipaufbau der erfindungsgemässen Vorschaltanordnung wieder, über die die Entladungslampe 1, z.B. eine Hochdruck-Entladungslampe, mit Wechselspannung höherer Frequenz, vorzugsweise Tonfrequenz im Bereich von 0,5 bis 20 kHz, betrieben wird. Zur Strombegrenzung ist der Lampe 1 eine Induktivität 2 in Reihe geschaltet. Den Eingang der Vorschaltanordnung bildet eine Gleichrichtervorrichtung 3, die an 220 V/50 Hz-Wechselspannung anliegt und der eine Reihenanordnung aus zwei Kondensatoren 4 und 5 gleicher Kapazität nachgeschaltet ist. Der Mittelabgriff 6 zwischen den beiden Kondensatoren 4, 5 ist über die Induktivität 2 an die eine Elektrode 7 der Lampe 1 gelegt. Die äusseren Kondensatorenanschlüsse 8 bzw. 9 sind jeweils über einen elektronischen Schalter 10 bzw. 11 mit der zweiten Elektrode 12 der Lampe 1 verbunden, wobei mit den Schaltern 10,11 jeweils ein elektronischer Strombegrenzer 13 bzw. 14 in Reihe liegt. Die Ansteuerung der Schalter 10, 11 erfolgt über ein Steuerteil 15. Letzteres besteht aus einem frequenzkonstanten Rechteckgenerator 16, dem ein Impulsverstärker 17 und ein Steuertransformator 18 nachgeschaltet sind. Die zur Zündung der Lampe 1 notwendigen Hochspannungsimpulse liefert ein Zündteil 19; dabei ist der Lampe 1 ein (HF-Kurzschluss-)Kondensator 20 parallel geschaltet. Bei einer modifizierten Anordnung kann auf das zusätzliche Zündteil 19 verzichtet werden. Die der Lampe vorgeschaltete strombe'grenzende Induktivität 2 und der der Lampe parallel geschaltete Kondensator 20 sind dann so gewählt, dass sie bezüglich der dritten, fünften oder siebten Oberwelle der Lampenbetriebsfrequenz einen Reihenresonanzkreis bilden. Mit der am Kondensator 20 auftretenden hohen Spannung wird die Zündung der Lampe erreicht. Ein mit der Lampe 1 in Reihe liegender Kondensator 21 dient zur Sperrung eines eventuell auftretenden Lampengleichstromes.
Durch die Gleichrichtervorrichtung 3, vorzugsweise ein Brückengleichrichter, liegt an den Kondensatoren 4, 5 - von gleicher Kapazität - jeweils Gleichspannung gleicher Grösse an; bei einer Netzspannung (Wechselspannung) UN betragen die einzelnen Kondensatorspannungen UGli = UGl2 = '/ìUn/Z. Über die beiden strombegrenzten Schalter 10 und 11 werden diese Gleichspannungen abwechselnd mit entgegengesetzter Polungsrichtung auf den Lampenstromkreis geschaltet. Die Schaltfrequenz liegt im Tonfrequenzbereich, sie wird bestimmt durch den frequenzkonstanten Rechteckgenerator 16. Somit erfolgt der Betrieb der Lampe 1 mit rechteckförmi-ger Wechselspannung hoher Frequenz.
Die in Figur 2 wiedergegebene Vorschaltanordnung stellt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dar. - Das Steuerteil für die elektronischen Schalter 10,11 ist anhand von Figur 3 beschrieben. - Die Gleichrichtervorrichtung 3 ist als Brückengleichrichter ausgeführt. Den beiden nachgeschalteten Kondensatoren^, 5 - hinsichtlich des Netzes Ladekondensatoren -, können jeweils noch Entladewiderstände parallel geschaltet sein. Bezüglich des Tonfrequenzbetriebes wirken die Kondensatoren 4, 5 auch als Siebkapazitäten. Die Schaltstrecken der elektronischen Schalter 10 und 11 sind jeweils durch die Kollektor-Emitter-Strecken von spannungsfesten und mit grossem Strom belastbaren Schalttransistoren 22,23 gebildet.
Die eine Schaltstrecke ist mit der positiven (UgliX die andere mit der negativen Versorgungsgleichspannung (UGl2) verbunden. Die Steuerung der beiden Schalttransistoren 22, 23 erfolgt gegentaktartig über deren Basen. Diesen sind die Widerstände 24, 25 vorgeschaltet. Die Transistoranschlüsse AI, El bzw. A2, E2 sind jeweils mit den entsprechenden Anschlüssen des Steuerteils (Figur 3) verbunden. Die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 22, 23 werden von Gleichrichterdioden 26, 27 überbrückt. Diese bewirken kurze Ausräumzeiten der Transistoren 22, 23 und vermeiden Fehlsteuerungen infolge von Streuinduktivitäten des Steuertransformators 18.
Des weiteren sind Schutzdioden 28, 29 vorgesehen. Diese verhindern einen Stromfluss in verkehrter Richtung über die Kollektor-Emitter-Strecken der Schalttransistoren 22, 23. So ein Strom kann, abhängig von den Zündeigenschaften des jeweiligen Lampentypus, induktiv und impulsartig in der Strombegrenzungsdrossel 2 entstehen. Die Schutzdioden 28, 29 können auch nur den Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 22, 23 parallel geschaltet sein. Die Strombegrenzer 13, 14 bestehen aus den Begrenzungswiderständen 30,31, die von den Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 32, 33 überbrückt sind. Die Basen der Transistoren 32, 33 sind einerseits über Widerstände 34,35 mit dem jeweiligen Kollektor und andererseits über die Kollektor-Emitter-Strecken der zweiten Transistoren 36, 37 und den Arbeitswiderständen 38, 39 mit dem jeweiligen Emitter verbunden. Die Freigabe der Begrenzungswiderstände 30, 31 wird bestimmt durch den Spannungsabfall an den Widerständen 38, 39. Solange die zweiten Transistoren 36,37 nichtleitend sind, werden die Transistoren 32, 33 über die Widerstände 34, 35 in den leitenden Zustand gesteuert und die Begrenzungswiderstände 30, 31 sind leitend überbrückt. Bei Erreichen der Öffnungsspannungen der Transistoren 36, 37 - wenn der Spannungsabfall an den Widerständen 38, 39 einen bestimmten Wert übersteigt - werden diese leitend und steuern die Kollektor-Emitter-
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Strecken der Transistoren 32, 33 in Richtung nichtleitenden Zustand. So werden die Widerstände 30, 31 als Strombegrenzer wirksam. Um ein Selbstschwingen zu vermeiden, können vor den jeweiligen Basen der Transistoren 32,33 und 36,37 (typenabhängig) Widerstände angeordnet sein (nicht gezeigt). Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist auf ein separates Zündteil verzichtet worden. Die Dimensionierung der Induktivität 2 und des zur Lampe parallel geschalteten Kondensators 20 ist so gewählt, dass bezüglich der Lampenbetriebsfrequenz der Reihenresonanzfall - vorzugsweise der dritten Oberwelle - gebildet ist. Wie schon erwähnt, dient der Kondensator 21 zur Sperrung eines eventuell auftretenden Lampengleichstromes. Ein erheblicher Lampengleichstrom kann entstehen, wenn die Lampe während des Zünd- und Übernahmevorganges anfänglich in nur einer Polungsrichtung brennt. Hierbei würde die begrenzende Wirkung der Drossel 2 entfallen, und durch den einsetzenden Kurzschlussstrom würden die Halbleiter der elektronischen Schalter zerstört werden. Der Brückengleichrichter 3 ist durch einen Vorwiderstand 40, das Netz durch eine Sicherung 41, abgesichert. Die mit der vorbeschriebenen Vorschaltanordnung betriebene Lampe 1 ist, z.B. eine Quecksilberdampf- Hochdruckentladungslampe mit Metallhalogenidzusatz - hier ein Molekülstrahler -, deren Leistungsaufnahme z.B. 75 W beträgt. Bei dieser Lampentype hat sich ein Betrieb mit einer Frequenz von 7,5 kHz bewährt. Der die Zündung einleitende Reihenresonanzkreis, der durch die Induktivität 2 und den Kondensator 20 gebildet wird, ist somit auf eine Frequenz von 22,5 kHz (dritte Oberwelle) abgestimmt.
In Figur 3 ist der notwendige Steuerteil, bestehend aus dem Rechteckgenerator 16, dem Impulsverstärker 17 und dem Steuertransformator 18, wiedergegeben. Der Timer 42 des Rechteckgenerators 16 ist als integrierter Schaltkreis ausgeführt und gegen Temperatur- und Betriebsspannungsänderungen unempfindlich. Der Timer 42 erhält seine Arbeitsspannung von einem Siebkondensator 43. Dieser bezieht seine Leistung über den Widerstand 44 aus einem spannungs-begrenzten Ladekondensator 45. Zur Spannungsbegrenzung ist dem Ladekondensator 45 eine Zenerdiode 46 parallel geschaltet. Der Ladekondensator 45 wird seinerseits über eine Gleichrichteranordnung 47,48 in V-Schaltung über einen Kondensator 49 aus dem Netz (220 V, 50 Hz) aufgeladen. Die Gleichrichterdiode 48 wirkt als Rückstromdiode, die zur Aufrechterhaltung eines Wechselstromes den Kondensator 49 während der negativen Netzhalbwellen umlädt. Am Siebkondensator 43 liegt z.B. eine Spannung von 12 V an, mit der der Timer 42 versorgt wird. Der steuerspannungsaufbereitende Teil des Rechteckgenerators 16 besteht aus dem Timer 42, den Widerständen 50, 51, 52 und 53 und dem Kondensator 54. Der dem Rechteckgenerator 16 nachgeschaltete Impulsverstärker 17 enthält einen sogenannten Darlington-Transi-stor 55 ; dieser weist eine grosse Stromverstärkung auf und kommt mit einem sehr kleinen Steuerstrom aus. Die Versorgung des Impulsverstärkers 17 erfolgt über den Widerstand 5 56 am spannungsbegrenzten Ladekondensator 45. An diesem liegt z.B. eine Spannung von 40 V an. Die Basis des Transistors 55 wird über die Widerstände 57,58 und den Kondensator 59 angesteuert. Der ausgangsseitig angeordnete Steuertransformator 60 weist zwei voneinander gut isolierte Sekun-lo därwicklungen 61, 62 auf; es erfolgt eine galvanische Impulstrennung. Die Primärwicklung 63 liegt über einen Gleichspannungstrennkondensator 64 der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 55 parallel. Die Sekundärwicklungen 61,62, denen jeweils die Dämpfungswiderstände 65, 66 parallel 15 geschaltet sind, sind in gegensätzlicher Polung mit den Anschlüssen AI, El bzw. A2, E2 der elektronischen Schalter 10, 11 (Figur 2) verbunden.
In Figur 4 ist gegenüber der Schaltungsanordnung nach Figur 2 und 3 noch ein zusätzliches Zündteil 19 enthalten. 20 Die übrigen Baugruppen sind im Blockschema wiedergegeben. Mit der Lampe 1 liegt die Sekundärwicklung 67 eines Impulstransformators 68 in Reihe, wobei die Transformatorwicklung 67 und die Lampe 1 von einem HF-Kurzschlusskondensator 20 überbrückt sind. Der Primärwicklung 69 - mit 25 einem Stosskondensator 70 in Reihe - ist ein Triac 71 parallel geschaltet. Die Ansteuerung des Triacs 71 erfolgt über den Diac 72, etwa mit einer Impulsfolgefrequenz von 500 Hz. Das Zeitglied für die Steuerung des Triacs 71 wird durch den Ladewiderstand 73 und den Kondensator 74 gebildet. Die 30 Anoden des Triacs 71 sind - eine der Anoden über den Widerstand 75 - mit den Anschlüssen 8,9 der Kondensatoren 4, 5 verbunden. Über den Triac 71 wird die Ladung des Kondensators 70 auf die Primärwicklung 69 des Impulstransformators 68 geschaltet. Der Zündpulser 19 liefert eine Zünd-35 Spannung von etwa 4 kVs.
Es sind Versuchsgeräte von solchen elektronischen Vor-schaltanordnungen gebaut worden, die gegenüber einer herkömmlichen Vorschaltdrossel folgende Vorteile aufweisen: Die Verlustleistung ist um mehr als 50% reduziert, das Vor-40 schaltgerät nimmt z.B. nur noch 7 bis 8 W statt 16 W auf. Des weiteren ist das Volumen auf weniger als 25% verringert, es beträgt z.B. 215 cm3 statt 980 cm3, und das Gewicht konnte sogar auf 13% reduziert werden, es beträgt z.B. 266 g statt 2060 g. Ferner kann auch der bei höheren Betriebsfrequenzen 45 (Tonfrequenzbereich) bekannte Vorteil einer erhöhten Lichtausbeute (108%) ausgenutzt werden. Der Einsatz besserer und kleinerer Bauelemente dürfte noch weitere Reduktionen in Grösse und Gewicht zulassen. Ein solches Gerät ist somit geeignet, zusammen mit der Lampe in einem handlichen Set 5o zusammengefasst zu werden.
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2 Blatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Vorschaltanordnung zum Betreiben einer Entladungslampe, bestehend aus einem an 50 oder 60 Hz, 110 bzw. 220 V Wechselspannung betriebenen Wandlerteil, über das die Speisung der Lampe mit Wechselspannung mit einer Frequenz von bis zu 100 kHz erfolgt, einer der Lampe zur Strombegrenzung vorgeschalteten Induktivität und einem Zündteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerteil eingangsseitig eine Gleichrichtervorrichtung (3) enthält, der eine Reihenanordnung aus zwei Kondensatoren (4, 5) gleicher Kapazität parallel geschaltet ist, wobei der Mittelabgriff (6) zwischen den beiden Kondensatoren (4, 5) - über die strombegrenzende Induktivität (2) - an die eine Elektrode (7) der Lampe (1) gelegt ist und die beiden äusseren Kondensatorenanschlüsse (8,9) jeweils über einen elektronischen Schalter (10;
2. Vorschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtervorrichtung (3) aus einem Brückengleichrichter besteht.
3. Vorschaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstrecken der elektronischen Schalter (10, 11) jeweils durch die Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors (22; 23) gebildet sind.
4. Vorschaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Schaltstrecken der elektronischen Schalter (10, 11) jeweils ein elektronischer Strombegrenzer (13; 14) vorgeschaltet ist.
5 nungsbegrenzung eine Zenerdiode (46) parallel geschaltet ist.
5. Vorschaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Strombegrenzer (13; 14) aus einem Begrenzungswiderstand (30; 31) besteht, der von der Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors (32; 33) überbrückt ist, dessen Basis einerseits über einen Widerstand (34; 35) mit dem Kollektor und andererseits über die Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors (36; 37) und einen Arbeitswiderstand (38; 39) mit dem Emitter verbunden ist.
6. Vorschaltanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors (22; 23) von einer Schutzdiode (28; 29) überbrückt ist.
7. Vorschaltanordnung nach einem der Ansprüche l bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerteil (15) für die elektronischen Schalter (10, 11) einen frequenzkonstanten Rechteckgenerator (16) enthält, dem ein Transistor (55) zur Steuerstromverstärkung nachgeschaltet ist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke über einen Gleichspannungstrennkondensator (64) zu der Primärwicklung (63) eines ausgangsseitig angeordneten Steuertransformators (60) parallel liegt.
8. Vorschaltanordnung nach Ansprüchen 3 und 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der am Steuerteil (15) ausgangsseitig angeordnete Steuertransformator (60) zwei voneinander isolierte Sekundärwicklungen (61,62) aufweist, die^ jeweils an die Basis-Emitter-Strecken der Schalttransistoren (22,23) angeschlossen sind.
9. Vorschaltanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannungserzeugung des Steuerteils (15) an die Netzwechselspannung angeschlossen ist, wobei der eine Netzanschluss über einen Kondensator (49) an den Mittelpunktanschluss eines V-GIeichrichters (47, 48) geht und der andere Netzanschluss an dessen Minus-Anschluss gelegt ist, und dass dem V-Gleichrichter (47,48) ein spannungbegrenzter Ladekondensator (45) parallel geschaltet ist und diesem eine Reihenanordnung aus einem Widerstand (44) und einem Siebkondensator (43) parallel liegt.
10. Vorschaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ladekondensator (45) zur Span-
11. Vorschaltanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Timer (42) des Rechteckgenerators (16) am Siebkondensator (43) und der zur Stromverstärkung nachgeschaltete Transistor (55) über den Arbeitswi-
io derstand (56) am Ladekondensator (45) angeschlossen ist.
11) mit der zweiten Elektrode (12) der Lampe (1) verbunden sind, und dass ein Steuerteil (15) vorgesehen ist, über das die beiden elektronischen Schalter (10, 11) abwechselnd mit konstanter Frequenz stromleitend oder stromsperrend werden, so dass am Lampenstromkreis eine rechteckförmige Wechselspannung der genannten Frequenz anliegt.
12. Vorschaltanordnung nach einem der Ansprüch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die der Lampe (1) vorgeschaltete strombegrenzende Induktivität (2) und ein der Lampe (1) parallel geschalteter Kondensator (20) für die
13. Vorschaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündteil (19) vorgesehen ist, bei dem die Sekundärwicklung (67) eines Impuls-
2o transformators (68) mit der Lampe (1) in Reihe liegt, wobei die Transformatorwicklung (67) und die Lampe (1) von einem HF-Kurzschlusskondensator (20) überbrückt sind, und die Primärwicklung (69) des Impulstransformators (68) - mit einem Stosskondensator (70) in Reihe - einem Triac (71)
25 parallel geschaltet ist.
14. Vorschaltanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Triac (71) die Reihenanordnung aus einem Kondensator (74) und einem Ladewiderstand (73) parallel geschaltet ist, wobei die Steuerelektrode des Triacs
3o (71) über einen Diac (72) an die Verbindung von Ladewiderstand (73) und Kondensator (74) angeschlossen ist.
15. Vorschaltanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündteil (19) eingangsseitig an die Gleichrichtervorrichtung (3) des Wandlerteils angeschlossen
35 ist.
15 dritte, fünfte oder siebte Oberwelle der Lampenbetriebsfrequenz einen Reihenresonanzkreis bilden.
16. Vorschaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lampe (1) ein Kondensator (21) in Reihe geschaltet ist.
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