DE1096964B - Schaltungsanordnung zum symmetrischen Einspeisen und Konstanthalten des Speisegleichstroms von Fernmeldeleitungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum symmetrischen Einspeisen und Konstanthalten des Speisegleichstroms von FernmeldeleitungenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum symmetrischen Einspeisen und Konstanthalten
des. Speisegleichstroms von Fernmeldeleitungen unterschiedlichen Widerstands, über die
Wechselströme mit im Vergleich hierzu kleinen Amplituden übertragbar sind, insbesondere von Fernsprechteilnehmerleitungen.
Es ist häufig notwendig, einen Verbraucher mit einem Gleichstrom praktisch konstanten Wertes zu
speisen, während der Verbraucher zur Übertragung eines Wechselstroms mit einer bedeutend kleineren
Amplitude dient.
Es ist bereits eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines elektrischen Verbrauchers, z. B. eines Wechselspannungssignalverstärkers
aus einer Gleichstromspeisequelle bekannt, bei der in den die Speisequelle mit dem Verbraucher verbindenden Kreis die Emitter-Kollektor-Elektrodenstrecke
eines Transistors eingeschaltet ist, dessen Basiselektrode ein praktisch konstanter Hilfsstrom zugeführt wird, so daß nahezu
die ganze Spannung der Speisequelle dem Verbraucher zur Verfügung steht und der Speisestrom praktisch
unabhängig von Änderungen der Speisespannung bzw. von Änderungen der Impedanz des Verbrauchers ist.
Bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung zur spannungskonstanten Speisung eines Verbrauchers
mit veränderlichem Widerstand liegt ebenfalls die Emitter-Kollektor-Elektrodenstrecke eines ersten Regeltransistors
in Reihe zwischen der Speisequelle und dem Verbraucher. Ein zweiter Regeltransistor liegt
mit seinem Emitter an einem Punkt konstanten Potentials, während seine Basisvorspannung von einem
dem Verbraucher parallel geschalteten Potentiometer abgegriffen wird. Der Kollektor des zweiten Regeltransistors
ist mit der Basis des ersten Regeltransistors verbunden. Spannungsschwankungen am Verbraucher
beeinflussen somit die Transistoren im Sinne einer entgegenwirkenden Regelung.
Bei Leitungen, die ein Fernsprechamt mit Teilnehmern verbinden, ist es notwendig, einen Gleichstrom
der Leitung zuzuführen, um das Mikrophon des Fernsprechgerätes des Teilnehmers zu erregen,
während gleichzeitig die Leitung Sprechströme und Signalisierungsströme übertragen muß. Der die Leitung
durchfließende Strom soll trotz des Widerstands der Leitung vorzugsweise auf einem günstigen Wert
gehalten werden, damit das Mikrophon eine gute Nutzwirkung hat.
Unter solchen Verhältnissen wird der Speisegleichstrom meistens von dem die Leitung durchfließenden
Wechselstrom getrennt, entweder mit Hilfe von Transformatoren, welche für den Gleichstrom durchlässig
sind und den Wechselstrom nach einem getrennten Kreis übertragen, oder mittels Sperrinduktanzen zur
Schaltungsanordnung
zum symmetrischen Einspeisen
und Konstanthalten des Speisegleichstroms
von Fernmeldeleitungen
Anmelder:
N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)
Eindhoven (Niederlande)
Vertreter: Dipl.-Ing. H. Zoepke, Patentanwalt,
München 5, Erhardtstr. 11
München 5, Erhardtstr. 11
Beanspruchte Priorität:
Australien vom 1. August 1957 und 10. Juni 1958
Australien vom 1. August 1957 und 10. Juni 1958
Willem Douwe Meewezen, Woodville (Australien), ist als Erfinder genannt worden
Zuführung der Gleichströme und zum Sperren von Wechselströmen und mittels Kondensatoren zum
Sperren von Gleichströmen, jedoch zur Übertragung von Wechselströmen. Es werden außerdem stromabhängige
Ballastwiderstände verwendet, um den die Leitung durchfließenden Gleichstrom praktisch konstant
zu halten. Die hierfür verwendeten Sperrinduktanzen oder Transformatoren müssen den Gleichstrom durch
die Leitung führen, so daß sie groß und teuer sind im Vergleich zu den Abmessungen und/oder dem Preis
entsprechender Elemente zur Übertragung von Wechselströmen allein.
Ziel der Erfindung ist es, die symmetrische Einspeisung des Speisegleichstroms auf Fernmeldeleitungen,
die Konstanthaltung des Speisegleichstroms und die Aufrechterhaltung der Symmetrie der Fernmeldeleitungen
gegenüber einem Punkt konstanten Potentials sowohl im offenen als auch im geschlossenen
Zustand mit einer Schaltungsanordnung ohne Sperrinduktanzen und Transformatoren zu ermöglichen.
Dazu wird zunächst die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß die Impedanz eines Transistors, in Richtung
des Kollektors gesehen, unter der Bedingung sehr hoch ist, daß die an den Kollektor angelegte
Spannung größer ist als ein bestimmter Wert, der als Kniespannung bezeichnet wird. Wird also ein Transistor
derart eingestellt, daß sein Emitter-Kollektor-Strom von kleinen Änderungen der zwischen seiner
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Emitter- und Kollektorelektrode wirksamen Spannung praktisch unabhängig ist, so kann er nennenswerte
Gleichströme von seinem Emitter zu seinem Kollektor durchlassen, während nur ein sehr geringer Wechselstrom
in entgegengesetzter Richtung fließen kann. Gewohnlich ist die Kniespannung eines Transistors
etwa 1 V, so daß es möglich ist, eine Fernsprechleitung zu speisen, indem Gleichstrom dieser Leitung über
Transistoren zugeführt wird, ähnlich wie über Sperrinduktanzen, während Wechselströme über Kondensatoren
von der Leitung abgenommen werden können, wobei die Wechselstromverluste in den Transistoren
vernachlässigbar sind.
Gemäß der Erfindung sind beide Adern der Fernmeldeleitung über die Emitter-Kollektor-Strecken je
eines Transistors mit den entsprechenden Polen der Gleichspannungsquelle verbunden; die Basis des eineu
Transistors ist an einen Punkt festen Potentials angeschaltet, und die Basis des anderen Transistors ist
an einen Punkt angeschlossen, dessen Potential durch den Potentialunterschied zwischen einem weiteren
Punkt festen Potentials und einem zwischen den Adern
der Fernmeldeleitung liegenden Punkt schwankenden Potentials veränderbar ist.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist nicht Gegenstand der Erfindung, sondern dient als Prinzipschaltbild lediglich der Erläuterung
der physikalischen Grundlagen, die für das Verständnis der Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
nach Fig. 2 wesentlich erscheinen.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält einen veränderlichen Widerstand 1, der in Reihe zwischen
dem Kollektor 2 eines Transistors 3 und einer Klemme 4 einer Speisequelle 5 geschaltet ist. Die
andere Klemme 6 dieser Speisequelle ist mit dem Emitter 7 des Transistors verbunden, während dessen
Basis 8 mit dem Emitter 7 über eine Stromquelle 9 in Verbindung steht.
Bei einer solchen Schaltung ist der Gleichstrom durch den Widerstand 1 und den Kollektor 2 des
Transistors praktisch unabhängig von dem Wert des Widerstands 1, sofern die Spannung zwischen dem
Emitter 7 und dem Kollektor 2 nicht unterhalb eines bestimmten Wertes sinkt, der dem Typ des Transistors
und den an die anderen Elektroden gelegten Spannungen entspricht. Ein solcher Kreis stabilisiert somit
den den Widerstand 1 durchfließenden Strom. Gleichzeitig bedeutet diese Unabhängigkeit des Kollektorgleichstroms
von dem Potentialunterschied zwischen Kollektor und Emitter, daß der Transistor für in
Reihe oder parallel mit dem Widerstand 1 zugeführte Wechselströme mit einer Amplitude kleiner als der
Wert des Gleichstroms eine hohe Impedanz aufweist.
Ein solcher Kreis kann somit zur Speisung eines Verbrauchers, z. B. einer Fernsprechleitung, mit einem
konstanten Gleichstrom verwendet werden, wenn schwächere Wechselströme durch diesen Verbraucher
fließen, wobei nennenswerte Verluste infolge einer Ableitung der Wechselströme durch den Transistor
vermieden werden. Bei einer solchen Schaltung hat ein Kurzschluß des Verbrauchers oder der Leitung
keinen wesentlichen Einfluß auf den Strom von der Speisequelle, während, wenn der Verbraucher oder die
Leitung unterbrochen wird oder wenn der Widerstand der Vorrichtung einen bestimmten Wert überschreitet,
der von der Speisequelle gelieferte Strom sich stark ändert.
Diese Eigenschaften der Unabhängigkeit des Emitter-Kollektor-Stroms
in bezug auf die Emitter-Kollektor-Spannung und der hohen Impedanz für Wechselströme
treten auf, wenn der Potentialunterschied zwischen Emitter und Kollektor größer ist als der Wert, der
dem »Knie« oder »Bogen« der kennzeichnenden Kurven des Transistors entspricht, welche den
Emitter-Kollektor-Strom als Funktion der Emitter-Kollektor-Spannung darstellen.
Bei der Schaltung nach Fig. 1 liegt die Gefahr vor, daß, wenn der Wert des Widerstands 1 derart erhöht
wird, daß er praktisch den Betriebsverhältnissen eines offenen Kreises entspricht, ein zu großer Strom
zwischen Emitter und Basis des Transistors zu fließen anfängt. In einer praktischen Ausführungsform
ist es somit erforderlich, einen Widerstand in den Basiskreis des Transistors in Reihe einzufügen, um
dies zu vermeiden. Auf gleiche Weise wird vorzugsweise auch ein Widerstand in den Emitterkreis des
Transistors, und zwar in Reihe aufgenommen, um zu verhindern, daß eine zu hohe Spannung zwischen
Emitter und Kollektor des Transistors auftritt, wenn der Wert des Widerstands sehr klein gemacht wird.
Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist der Widerstand 1, der einen Verbraucher oder eine Leitung mit zwei
Leitern darstellt, einseitig unmittelbar an die Speisequelle 5 angeschlossen. Bei Anwendung der Erfindung,
wobei die zwei Leiter einer Leitung oder die Klemmen eines Verbrauchers gegen beide Klemmen der Speisequelle
5 isoliert sein sollen, muß ein Element mit einer hohen Impedanz für Wechselströme zwischen
der Klemme 4 der Speisequelle 5 und der Leitung oder dem Verbraucher eingeschaltet werden. Dieses Element
könnte durch eine Sperrinduktivität geeigneten Wertes oder durch eine andere bekannte Vorrichtung gebildet
werden. Nach der Erfindung ist es jedoch vorteilhafter, dazu einen zweiten Transistor zu verwenden,
so daß ein Transistor mit der Plusklemme einer Batterie und ein Transistor mit deren Minusklemme
verbunden ist. Der Wert der Ströme wird jedoch vorzugsweise nur durch einen der Transistoren gesteuert.
Wenn eine Fernsprechleitung so gespeist wird, ist es erwünscht, daß bei geschlossener Schleife der
mittlere Wert des Potentials der zwei eine Leitung bildenden Leiter annähernd gleich dem Potential des
Mittelpunktes der Batterie ist, um Übersprechen zwischen den Wählimpulsen in verschiedenen Leitungen
zu vermeiden, und daß bei Unterbrechung der Schleife das Potential eines der Leiter einen positiveren
Wert annimmt und das Potential des anderen Leiters um denselben Betrag negativer wird.
Unter bestimmten Verhältnissen kann es wieder erwünscht sein, ein bestimmtes Verhältnis zwischen den
Änderungen der Potentialunterschiede zwischen einem Leiter der Leitung und Erde und zwischen dem anderen
Leiter und Erde aufrechtzuerhalten. Dies ist nicht der Fall, wenn die zwei Transistoren unabhängig voneinander
eingestellt sind, so daß sie konstante Ströme verschiedenen Wertes durchlassen. Die Einstellung
der Transistoren kann jedoch Schwierigkeiten bereiten, wenn sie unter veränderlichen Betriebsverhältnissen
gleich eingestellt werden sollen.
Gemäß der Erfindung kann die Schwierigkeit der kritischen Einstellung der Basis-Emitter-Spannung der
Transistoren dadurch vermieden werden, daß dem Potential an der Basis von nur einem der Transistoren
ein gewählter Wert erteilt wird, wodurch der Wert des Stroms gesteuert wird, und die Spannung zwischen
Emitter- und Basiselektrode des zweiten Transistors selbsttätig geändert wird, um den zweiten Transistor
derart einzustellen, daß er annähernd den gleichen Strom wie der erste durchläßt. Dies geschieht dadurch,
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daß einer der Transistoren mit einer Emitterbelastung durch die Leitung oder den Verbraucher 1 oder jede
versehen wird, die den konstanten Strom bei ge- Änderung der Reaktanz der Leitung oder des Verschlossener
Schleife stabilisiert, und mit einer Basis- brauchers 1 praktisch gleiche Änderungen der bebelastung
versehen wird, um den Basisstrom bei offener züglichen Spannungen zwischen jedem der zwei Leiter
Schleife zu begrenzen. Das mittlere Leitungspotential 5 der Leitung und Erde hervorrufen, so daß die erkann
fixiert werden, indem zwei Widerstände in Reihe wähnten Gleichstrom- oder Reaktanzänderungen keine
miteinander über der Leitung angeschlossen werden ungleichen Änderungen der Potentiale der Klemmen
und der Potentialunterschied zwischen dem ge- der Leitung oder des Verbrauchers 1 hervorrufen
meinsamen Punkt dieser zwei Widerstände und dem können, welche die an die Leitung oder den Verfür
die Leitung erwünschten mittleren Potential durch io braucher 1 angeschlossenen Wechselstromkreise beeinen
dritten Transistor verstärkt wird. Der verstärkte einflussen könnten. Gleichzeitig kann der Wert des
Potentialunterschied wird dabei verwendet, um die Gleichstroms durch die Leitung oder den Verbraucher 1
Basis des zweiten Transistors zu speisen, der den auf jeden gewünschten konstanten Wert eingestellt
anderen Leiter der Leitung speist. Auf diese Weise werden, indem das Potential der Basiselektrode des
wird der dem zweiten Transistor zugeführte Strom 15 Transistors 3 geändert wird.
selbsttätig derart eingestellt, daß das mittlere Potential Der Transistor 3 a könnte selbstverständlich auch
der Leitung praktisch auf dem gewünschten Wert ge- ein Transistor des npn-Typs sein, welcher Typ dem
halten wird. des Transistors 3 entgegengesetzt ist, der als ein
Fig. 2 zeigt ein praktisches, auf die Prinzipschaltung pnp-Typ-Transistor dargestellt ist. Dabei wären die
nach Fig. 1 gegründetes Ausführungsbeispiel der 20 Verbindungen mit dem Transistor 3 α das Spiegelbild
Schaltungsanordnung nach der Erfindung. In dieser derer mit dem Transistor 3.
Figur bezeichnen die Bezugsziffern 1 bis 8 Schalt- Der Widerstand 12 und/oder der Widerstand 12 a
elemente, die denen der Fig. 1 entsprechen. Die können gewünschtenfalls weggelassen werden.
Klemmen des Verbrauchers bzw. der Leitung 1 sind Bei einer experimentellen Ausführungsform der
mit E und F bezeichnet. Ein Widerstand 12 ist mit 25 Schaltung nach der Erfindung wurde eine Speisedem
Emitter 7 des Transistors 3 in Reihe geschaltet, batterie von 50 V mit geerdeter Plusklemme verwendet,
und die Basis 8 desselben Transistors ist an den Der Emitter des ersten Transistors 3 war über einen
Punkt B eines Widerstandsnetzwerkes 10, 11 gelegt, Widerstand von 82 Ohm geerdet. Die Basis dieses
das über der Speisequelle 5 angeschlossen ist. ersten Transistors 3 war über einen Widerstand von
Der zweite Transistor ist mit der Bezugsziffer 3 a 30 470 Ohm mit Erde verbunden und über einen Widerbezeichnet.
Die mit dem Transistor 3 a zusammen- stand von 3900 Ohm an die Minusklemme der Speisewirkenden
Elemente sind mit Bezugsziffern mit dem batterie angeschlossen. Der Kollektor des ersten Tran-Index
»α« bezeichnet. Der Kollektor 2 a des Tran- sistors 3 war mit dem Leiter der Leitung verbunden,
sistors3a ist an die Klemme 4 der Speisequelle 5 an- der auf einem positiven Potential gehalten werden
geschlossen, während der Emitter la über einen 35 mußte. Das Potential der Basis dieses Transistors 3
Widerstand 12 a mit der Klemme £ der Leitung oder hatte einen Wert von etwa —5,5 V gegen Erde. Der
des Verbrauchers 1 verbunden ist. Kollektor des zweiten Transistors 3 a war unmittelbar
Die Basiselektrode dieses Transistors 3 α ist bei C an die Minusklemme der Batterie 5 angeschlossen,
mit dem Kollektor 2 & eines dritten Transistors 3 & und während seine Basis 8 a über einen Widerstand von
über einen Widerstand 10 a mit der Klemme 4 der 40 2200 Ohm mit der Minusklemme der Batterie 5 und
Speisequelle 5 verbunden. Die Basis 8 b des Tran- sein Emitter 7a unmittelbar mit dem negativen Leiter
sistors 3b ist an den gemeinsamen Punkt D von zwei der Leitung 1 verbunden war. Die Basis 8 a des zweiten
Widerständen 10 & und 11 b angeschlossen, die in Transistors 3 a war außerdem mit dem Kollektor 2 b
Reihe miteinander über der Leitung oder den Ver- eines dritten Transistors 3 b verbunden, dessen Emitter
braucher 1 angeschlossen sind, und der Emitter Tb 45 7 b an eine Mittelanzapfung der Batterie 5 angedieses
Transistors 3 b ist mit einer Anzapfung A der schlossen war und dessen Basis 8 b mit dem geStromquelle
5 verbunden. meinsamen Punkt D zweier gleicher Widerstände 10 b Bei der Schaltung nach Fig. 2 kann der Strom und 11 b verbunden war, die in Reihe miteinander
durch die Leitung oder den Verbraucher 1 auf einen über die Leitung 1 geschaltet waren und die je einen
praktisch konstanten Wert eingestellt werden durch 50 Wert von 10 000 Ohm hatten.
geeignete Wahl der Werte der Widerstände 10 und 11, " Bei dieser Schaltungsanordnung wird der Strom,
welche die Basisspannung des Transistors 3 steuern. der bei geschlossener Schleife dem positiven Leiter
Durch passende Wahl der Anzapfung A der Strom- der Leitung 1 zufließen kann, durch den in Reihe mit
quelle 5, die mit dem Emitter 7 b verbunden ist, und dem Emitter des ersten Transistors geschalteten
der bezüglichen Werte der Widerstände 10 b und 11 b, 55 Widerstand gesteuert, während dieser Strom bei
über deren Verbindungspunkt D die Basis des Tran- offener Schleife durch das in den Basiskreis des ersten
sistors 3 b gespeist wird, kann das Verhältnis zwischen Transistors 3 eingefügte Widerstandsnetzwerk 10, 11
den bezüglichen Spannungsabfällen über die beiden geregelt wird.
Transistoren praktisch konstant gehalten werden, und Der über den zweiten Widerstand dem negativen
infolgedessen, wenn die Stromquelle 5 mit Erde ver- 60 Leiter der Leitung zufließende Strom wird durch den
bunden ist, kann das Verhältnis zwischen den be- dritten Transistor 3b selbsttätig auf einen solchen
züglichen Änderungen der Spannungen zwischen jedem Wert eingestellt, daß das mittlere Potential der Leider
zwei Leiter oder Klemmen der Leitung bzw. des tung 1 annähernd gleich dem Potential der Mittel-Verbrauchers
1 und Erde auch praktisch konstant ge- anzapfung A der Batterie ist.
halten werden. 65 In bezug auf Wechselströme weisen die Tran-Falls
der Emitter 7 b des Transistors 3 b mit einer sistoren eine hohe Impedanz auf, und infolgedessen
Mittelanzapfung der Stromquelle 5 verbunden ist, ist die Überbrückung der Leitung 1 durch diese Tranwährend
die Widerstände 10 & und 11b annähernd sistoren vernachlässigbar. Bei dieser Schaltung zur
einen gleichen Wert haben und die Stromquelle 5 ge- Speisung der Leitung 1 ist es nur notwendig, Sperrerdet
ist, kann z. B. jede Änderung des Gleichstroms 70 kondensatoren in Reihe mit der Leitung 1 zu schalten,
um Wechselstrom durchzulassen und den Gleichstrom nach den Teilen der der Leitung 1 zugehörenden
Apparatur zu sperren, die gegen die Gleichstromquelle 5 isoliert werden müssen.
Bei dieser Schaltung zur Zuführung von Gleichstrom an die Leitung blieb der die Leitung 1 durchfließende
Strom trotz Änderungen des Leitungswiderstands zwischen 0 und 800 Ohm konstant gleich 50 mA,
während Änderungen des Gleichstroms zwischen 40 mA und 100 mA häufig auftreten, wenn die Lei- to
tung 1 über einen Ballastwiderstand mit einem Nennwert von 100 mA gespeist wird.
Bei Speisung einer Leitung von 600 Ohm war der im wesentlichen infolge des Uberbrückungswiderstands
auftretende Verlust an Wechselstromenergie etwa 0,12 db, während die Änderungen des Pegels der
im Mikrophon erzeugten Sprechströme infolge Änderungen des Leitungswiderstands um 3 oder 4 db verringert
wurden, wobei Geräusche infolge eines zu starken Mikrophonstroms außerdem praktisch beseitigt
waren.
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zum symmetrischen Einspeisen und Konstanthalten des Speisegleichstroms
von Fernmeldeleitungen unterschiedlichen Widerstands, über die Wechselströme mit im Vergleich
hierzu kleinen Amplituden übertragbar sind, insbesondere von Fernsprechteilnehmerleitungen,
mittels zwischen der Gleichspannungsquelle und der Einspeisungsstelle eingeschleiften Transistoren,
deren Emitter-Kollektor-Ströme praktisch unabhängig sind von kleinen Änderungen der Emitter-Kollektor-Spannungen,
dadurch gekennzeichnet, daß an der Einspeisungsstelle beide Adern (E, F) der
Fernmeldeleitung (1) über die Emitter-Kollektor-Strecken (7a-2a bzw. 7-2) je eines Transistors
(3 a bzw. 3) mit den entsprechenden Polen (4 bzw. 6) der Gleichspannungsquelle (5) verbunden
sind und daß die Basis (8) des einen Transistors (3) an einen Punkt (B) festen Potentials angeschaltet
ist und die Basis (8 a) des anderen Transistors (3 a) an einen Punkt (Q angeschlossen ist,
dessen Potential durch den Potentialunterschied zwischen einem weiteren Punkt (A) festen
Potentials und einem zwischen den Adern (E, F) der Fernmeldeleitung (1) liegenden Punkt (D)
schwankenden Potentials veränderbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Adern
(E, F) der Fernmeldeleitung (1) liegende Punkt (D) schwankenden Potentials durch den Abgriff
eines aus zwei gleich großen Widerständen (10 b, 11 b) bestehenden Spannungsteilers gebildet ist
und daß der Punkt (A) festen Potentials praktisch in der Mitte zwischen den Klemmen (4, 6) der
Gleichspannungsquelle (5) liegt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 063 646;
britische Patentschrift Nr. 752 031;
USA-Patentschrift Nr. 2693 568.
F. Lubberger »Überblick über alle Fernsprech-Ortsanlagen mit Wählbetrieb«, R. Oldenbourg Verlag
München und Berlin, 1941, Bild 125 und S. 104;
The Bell System Technical Journal, 1954, Juli, S. 827 bis 858;
Bell Laboratories Record, 1955, September, S. 344 bis 349.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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