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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und: eine Schaltungsanordnung
zum Verbessern der Verständlichkeit von Sprache, die infolge Erhöhung des auf dem
Sprecher lastenden Druckes und/oder wegen einer entsprechend wirkenden Fremdatmosphäre
verzerrt ist.
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Eine vorteilhafte Anwendung findet die Erfindung insbesondere bei
der Sprachübertragung von Tauchern, welche in einer beträchtlichen Tiefe unter der
Wasseroberfläche arbeiten und in einem Raum sprechen müssen, der Atemluft und ein
Heliumgasgemisch enthält. Das Heliumgasgemisch dient zur Verminderung der Anhäufung
von Stickstoff in der Blutbahn des Tauchers, wodurch der andernfalls auftretende
Narkoseeffekt vermieden oder doch herabgesetzt wird.
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Beim normalen hörbaren Sprechen besitzt jedes Wort ein Frequenzspektrum,
das dem menschlichen Ohr vertraut ist und verstanden werden kann. Beim Sprechen
unter den Bedingungen einer Heliumgemisch: Atmosphäre und eines anormalen Druckes,
z. B. 60 m unter der Wasseroberfläche, wirkt jedoch jede dieser anormalen Bedingungen
auf den menschlichen Sprechmechanismus ein, so daß das Sprachfrequenzspektrum in
nichtlinearer Weise verzerrt und unverständlich oder im wesentlichen unverständlich
wird.
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Durch die deutsche Patentschrift 510 099 ist ein Verfahren zur Ubertragung
eines Wellenbandes über einen Leitungsweg, der für bestimmte, insbesondere höhere
Frequenzen sehr hohe Impedanz besitzt, unter Herabsetzung aller Frequenzen des Bandes
auf Frequenzen, die im günstigen Ubertragungs-Bereich der Leitung liegen, bekanntgeworden,
bei dem beispielsweise mittels thermionischer Frequenzmodulatoren eine bestimmte
Frequenz des zu übertragenden Bandes abgezogen wird, so daß die Breite des herabgesetzten
Bandes die gleiche wie die des für die Ubertragung vorgesehenen ursprünglichen Bandes
bleibt. Dabei werden nur die wirksamen Teile des Frequenzbandes herabgesetzt, die
übrigen Teile aber ganz unterdrückt.
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Weiterhin ist durch die deutsche Patentschrift 962 268 eine Anlage
zur Ubertragung von Nachrichten mit einem weiten Frequenzumfang innerhalb eines
engen Ubertragungsbandes durch eine Auswahl schmaler Ausschnitte aus dem gesamten
Nachrichtenband bekanntgeworden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenzlage
der auszuwählenden Ausschnitte vorab festgelegt ist, däß zwischen ausgewählten Ausschnitten
Frequenzbandlücken verbleiben, die nicht übertragen werden, daß alle ausgewählten
Ausschnitte mit Hilfe von Modulatoren derart verschoben werden, daß sie ein zusammenhängendes
Band bilden und daß Mittel für die Kennzeichnung der ursprünglichen Lage der Ausschnitte
und zur Ubertragung des komprimierten Bandes und der Kennzeichnungssignale vorgesehen
sind.
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Gegenüber diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von
Sprache mit einem im wesentlichen unverständlichen Spektrum infolge der obengenannten
nichtlinearen Sprachfrequenzverzerrung in Sprache mit einem verständlichen Sprachspektrum
zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß aus
dem ursprünglichen Sprachspektrum wenigstens zwei voneinander getrennte Frequenzbereiche
ausgesiebt werden, die einen wesentlichen Teil der ursprünglichen gesprochenen Nachricht
enthalten, daß diese Bereiche, gegebenenfalls mit Ausnahme des Bereichs mit den
tiefsten ausgesiebten Frequenzen in Abhängigkeit vom Druck und/oder der Fremdatmosphäre
nach niedrigeren Frequenzen und näher zueinander hin verschoben werden und daß die
Ausgangssignale dieser verschobenen Bereiche gemischt werden.
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Vorzugsweise werden die ausgesiebten Frequenz-Bereiche zuerst nach
höheren Frequenzen und dann nach niedrigeren Frequenzen hin verschoben, wobei die
Verschiebung jedes Bereiches nach niedrigeren Frequenzen vom Druck und/oder der
Fremdatmosphäre abhängt und so erfolgt, daß durch die relativen Bereichsverschiebungen
die Bereiche einen geringeren Frequenzabstand voneinander haben als die ursprünglich
ausgesiebten Bereiche.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen
der Ansprüche 3 und 4. Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden, oben angegebenen
Aufgabe dient auch eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens,
die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Frequenzverschiebung für
jeden der ausgesiebten Bereiche eine Modulator- und Oszillatoreinrichtung zur Verschiebung
der Bereiche nach höheren Frequenzen und eine Demodulator- und Oszillatoreinrichtung
zur Verschiebung der Bereiche nach niedrigeren Frequenzen hin sowie Filter zur Eliminierung
unerwünschter Frequenzen vorgesehen sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Schaltungsanordnung ergeben sich
aus den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7.
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Kurz gesagt, beinhaltet die Erfindung ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
zur Auswahl voneinander getrennter Frequenzbereiche des ursprünglichen Sprachspektrums
und Verschieben der Bereiche nach niedrigeren Frequenzen um verschiedene Grade in
Abhängigkeit von den oben beschriebenen Umgebungsbedingungen, um eine verbesserte
Sprachverständlichkeit zu schaffen.
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Nachstehend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt: F i g. 1 ein Blockschaltbild
der wesentlichen Teile eines das Verfahren und die Schaltungsanordnung nach der
Erfindung verkörpernden Systems, F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Einzelheit eines
abgewandelten Systems nach F i g.1, F i g. 3 ein Diagramm zweier ausgewählter Bereiche
vor und nach der Frequenzverschiebung; F i g. 4 a, 4 b und 4 c eine detaillierte
Schaltung der erfindungsgemäßen Anordnung.
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F i g. 1 stellt ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems 10 dar,
welches das Verfahren und die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung beispielsweise
veranschaulicht.
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Im System 10 wird die verzerrte Sprache des Tauchers durch einen Wandler
12, der über die Leitung 14 mit einem Eingangsverstärker 16 verbunden
ist, in elektrische Signale umgesetzt. Das verstärkte Signal wird durch die Leitungen
18, 20 und 22 den Bandpaßfiltern 24 und 26 zugeführt, welche voneinander getrennte
Frequenzbereiche des ursprünglichen Sprachspektrums aussieben. So können beispielsweise
(F i g. 3) die Bereiche B und C durch die Filter 24 bzw. 26 erhalten werden, wobei
der Bereich B die Frequenzen von 850 bis 1700 Hz
und der Bereich
C die Frequenzen -von 2400 bis 5000 Hz umfaßt, so daß die Bereiche ursprünglich
durch einen -Abstand von 700 Hz getrennt sind.
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Die ausgewählten Bereiche werden dann erfindungsgemäß um ungleiche
Beträge untersetzt, d. h. nach niedrigeren Frequenzen hin verschoben, um das ursprüngliche
verzerrte Sprachspektrum zu modifizieren und die Bereiche in eine Beziehung zum
normalen Sprachspektrum zu: bringen. Zum besseren Verständnis des Problems sowie
des Verfahrens und der Schaltungsanordnung zu seiner -Lösung ist zu bemerken, daß
die Sprache des-Tauchers unter Bedingungen anormalen Druckes, beispielsweise in
61 m Tiefe unter dem Meeresspiegel, und der Fremdgasumgebung, beispielsweise ein
Gemisch aus 3°/° Sauerstoff, 80°/° Helium und 171/d Stickstoff, unverständlich wird
und sich etwa wie die unverständliche Stimme von Walt Disneys Figur Donald Duck
anhört. Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß durch Auswahl voneinander getrennter
Frequenzbereiche der ursprünglichen verzerrten Sprache sowie Frequenzuntersetzung
der ausgewählten Bereiche und Verschiebung derselben aufeinander zu, und zwar in
Abhängigkeit von -dem Prozentsatz an Helium in der umgebenden Atmosphäre und vom
auf dem Taucher lastenden Druck, eine wesentliche Verbesserung des Sprachspektrums
erhalten werden kann und die Sprache verständlich wird.
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Demgemäß sind im System 10 an sich. bekannte Mittel zur Durchführung
der vorstehend bescfiriebeneu Frequenzwandlung vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel
des Systems 10 (F i g. 1) sind getrennte Modulations- und Filtereinrichtungen mit
dem Ausgang jedes der Filter 24 und 26 verbunden.
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Der Ausgang des Filters 24 ist durch eine Leitung 28 mit einem Modulator
30 verbunden, der auch über eine Leitung 34 am Ausgang eines Oszillators 32 liegt.
Der Ausgang des Modulätors 30 steht über eine Leitung 36 mit einem Hochpaßfilter
38 in Verbindung, um unerwünschte Frequenzen auszuschließen. Der Ausgang des Filters
38 wird durch eine Leitung 40 zu einem Demodulator 42 geführt, der über eine Leitung
46 am Ausgang eines durchstimmbaren Oszillators 44 liegt. Der Ausgang des Demodulators
42 ist durch eine Leitung 48 mit einem Tiefpaßfilter 50 verbunden, um unerwünschte
Frequenzen auszuschließen.
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In der gleichen Weise wird der Bereich C, d. h. das Ausgangssignal
des Filters 26, untersetzt, indem eine ähnliche Gruppe vorgesehen wird; welche aus
einem Modulator 52 und einem zugeordneten Öszillator 58, einem Hochpaßfilter 62,
einem Demodulator 66 und zugeordnetem Oszillator 70 sowie einem Tiefpaßfilter 74
besteht. Die Elemente sind in der gleichen Weise geschaltet, wie für die mit dem
Filter 24 verbundene Gruppe beschrieben. Das heißt, der Modulator 52 ist über die
Leitungen 54 bzw. 56 mit dem Filter 26 und dem Oszillator 58 verbunden. Der Ausgang
des Modulators 52 geht über die Leitung 60 zum Filter 62, dann über die Leitung
64 zum Demodulator 66; der durch die Leitung 68 mit dem Oszillator 70 verbunden
ist, und schließlich über die Leitung 72 zum Filter 74.
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Die Oszillatoren 32 und 58 dienen dazu, die Bereiche B und C zu übersetzen.
Zweckmäßigerweise wurden hierzu zwei Oszillatoren mit je 8000 Hz verwendet. Die
Frequenzen der Oszillatoren 44 und 70 sind so ausgewählt; daß die resultierende
Verschiebung, wie, in F i g. 3 angegeben, eine. Verschiebung der Bereiche B und
C nach niedrigeren Frequenzen sowie eine Bewegung dieser Bereiche zueinander hin
ist, wobei die -Verschiebung jedes Bereiches und das Verhältnis der Verschiebung
der Bereiche, von den Bedingungen. des Heliumgemisches und des umgebenden Druckes
abhängt, unter denen der Taucher gerade spricht: .
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F i.g. 3 zeigt, die Ergebnisse, welche durch das oben beschriebene
System erhalten werden.- Die Bandpaßfilter 24 und 26 sieben. einen Bereich B mit
einem Frequenzumfang von 850 bis 1700 Hz bzw. einen Bereich C mit- einem Frequenzumfang
von 2400 bis 5000 Hz aus, wobei die Bereiche B und C durch einen Frequenzabstand
von 700 Hz getrennt sind. Die Bereiche B. und . C sind daher, ausgewählte, voneinander
.getrennte Teile. des ursprünglichen verzerrten Sprachspektrums.
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Die Bereiche B und C können durch die Oszillatoren-32 und 58 von je
8000 Hz sowie die Oszillatoren 44 und.. 70- von 8600 bzw. 9000 Hz untersetzt
und aufeinander zu verschoben werden, um .den,gewan-Belten Bereich B' mit einem
Frequenzumfang von 250 bis 1100 Hz sowie den gewandelten Bereich C
mit einem
Frequenzumfang von 1400 bis 4000 Hz zu erhalten. So übersetzen der Modulator 30,
der Oszillator 32 und das Filter 38 den Bereich B um 8000 Hz in einen (nicht dargestellten)
Bereich von 8850 bis 970014z, während der Demodulator 42, der Oszillator 44 und
das Filter 50 den Bereich um 8600 Hz in einen Bereich B' von 250 bis 1100 Hz (F
i g. 3) untersetzen. Auf die gleiche -Weise übersetzen der Modulätor 52, der Oszillator
58 und das Filter 62 den Bereich .C um 8000 Hz in einen (nicht dargestellten) Bereich
von 10 400 bis 13 000 Hz, während der Demodulator 66; der Oszillator 70 und
das Filter 74 den Bereich um 9000 Hz in den Bereich C
von 1400 bis- 4000 Hz
(F i g; 3) untersetzen. Die gewandelten Bereiche B' und C weisen daher eine
niedrigere Frequenz auf und liegen näher beisammen (d. h. nur durch einen Frequenzabstand
von 300 Hz getrennt) als die ursprünglichen verzerrten Bereiche B und C.
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Wie in F i g. 1 gezeigt, werden die Ausgangssignale der Filter 50
und 74 durch die Leitungen 76 und 80
bzw. 78 und 80 zu einer Mischstufe 82
geführt, deren Ausgang durch die Leitung 84 mit einem geeigneten Empfänger, beispielsweise
dem Kopfhörer 86, verbunden ist.
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Es ist zu beachten, daß sich der Grad der nichtlinearen Verzerrung
der ursprünglichen Sprache mit dem Prozentsatz an Helium in der Umgebung, in welcher
sich der Sprecher befindet, ändert und auch in gewissem Ausmaß von dem Druck abhängt,
dem der Sprecher ausgesetzt ist. Während eine Verbesserung der Sprachverständlichkeit
durch das Verfahren und die Schaltungsanordnung gemäß obiger Beschreibung erzielt
wird, wobei eine Wandlung der ursprünglichen ausgewählten Bereiche in niedrigere
Frequenzen und zueinander hin erfolgt, werden weitere Verbesserungen durch spezielle
Auswahl der Oszillatoren 44 und 70 erhalten, welche von den spezifischen Bedingungen
des Heliumprozentsatzes und des Druckes abhängen, um eine maximale Verbesserung
der Sprachverständlichkeit zu erreichen.
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Die Oszillatoren 44 und 70 können nicht regelbare Oszillatoren, ausgewählt
für einen Mittelwert der Umgebungsbedingungen, sein, und das System liefert
doch
eine verbesserte verständliche Sprache unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.
Es können jedoch auch erfindungsgemäß von Hand einstellbare Oszillatoren
44 und 70 vorgesehen werden. Ein Vorteil dieser Anordnung liegt darin,
eine Anpassungsfähigkeit des Systems zu schaffen, um dieses auf die Änderungen der
Umgebungsbedingungen, denen der Sprecher unterworfen ist, und auf maximale Sprachverständlichkeit
einzustellen. Ein zweiter Vorteil ist es, daß die Bedienungsperson des Systems durch
Hören der korrigierten Sprache und Regeln der Oszillatoren 44 und 70 während des
Hörens eine maximale Verständlichkeit der Sprache einstellen kann.
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Das oben beschriebene und in F i g. 1 dargestellte System wurde mit
zufriedenstellenden Ergebnissen unter verschiedenen Heliumgemischen und bei Drükken
entsprechend 61 bis 91,5 m Meerestiefe erprobt. Unter diesen Bedingungen wurde eine
Zunahme der Sprachverständlichkeit von 20 auf 90% festgestellt.
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Es ist auch möglich, die Verständlichkeit durch Erhöhung der Anzahl
der ursprünglich ausgewählten Sprachspektrumbereiche und Wandlung derselben auf
die vorstehend beschriebene Weise weiter zu steigern. Die praktische Begrenzung
der Anzahl der ausgewählten Bereiche scheint eine Frage der Kosten der im System
verwendeten Teile und der Notwendigkeit zu sein, einen gewissen Abstand zwischen
benachbarten Bereichen einzuhalten, um eine gegenseitige Modulation zu vermeiden.
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Es ist auch möglich, wie in F i g. 3 gezeigt, einen niedrigeren Spektrumbereich
auszusieben, ohne denselben zu wandeln. In F i g. 2 ist daher ein Bandpaßfilter
100 hinzugefügt, welches durch die Leitungen 102
und 104 zwischen
die in F i g. 1 gezeigten Leitungen 20
und 76 geschaltet ist, um direkt die
Mischstufe 82 zu speisen. Das Filter 100 liefert einen Bereich unterhalb des Spektrums
des Bereiches B' und in gewissem Frequenzabstand von demselben.
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Bezüglich des Verfahrens und der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
ist zu bemerken, daß sich Tiefseetaucher gegenwärtig stichwortartig mitteilen, wodurch
das Ausmaß der zu übertragenden Information stark begrenzt wird. Wenn die Arbeitstiefe
und/oder das Verhältnis an Helium in der Atemluft zunimmt, wird selbst eine stark
begrenzte Verständigung schwierig und häufig sogar unmöglich. Wenn eine unvorhergesehene
Information nötig wird, d. h. eine Information zur Beschreibung eines vorgefundenen
Zustandes, die nicht durch vorher vereinbarte Stichworte mitgeteilt werden kann,
wird die Sprache sehr oft unverständlich und erfordert bestenfalls häufige Wiederholung
sowie eine Person, die im Abhören dieser Sprechart außerordentlich erfahren ist.
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Mit dem Verfahren und der Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann
jedoch auch ein unvorhergesehenes Sprechen über irgendeinen Gegenstand übertragen
und verständlich empfangen werden. Die Bedeutung der Erfindung liegt darin, daß
zum ersten Mal eine zusammenhängende unvorhergesehene Sprachmitteilung zwischen
Meerestauchem untereinander und zwischen den Tauchern und dem Begleitschiff möglich
ist. Da eine Sprechverbindung bei Tiefsee-Tauchoperationen, wie z. B. Untersuchung,
Erforschung, Rettung und Bergung, von Wichtigkeit ist und da die Ausrüstung für
einen Taucher zum langzeitigen Arbeiten unter Tiefseebedingungen seit einigen Jahren
verfügbar ist, schafft die erfindungsgemäß verständliche Sprechverbindung die wesentliche
Ergänzung, so daß Tiefseetaucher nunmehr sicher und erfolgreich arbeiten können.
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Fig.4a, 4b und 4c zeigen im einzelnen die Teile einer beispielsweisen
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, die geprüft wurde und ausgezeichnete
Ergebnisse bezüglich Verbesserung der Verständlichkeit von Sprache ergab, welche
durch Umgebungsbedingungen eines Heliumgemisches und erhöhten Druckes verzerrt ist.
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Die Werte der in den F i g. 4a, 4b und 4c dargestellten Teile sind
in der folgenden Tabelle angegeben:
| Einzelwerte für die in den Fi g. 4a, 4b und 4c |
| gezeigten Teile |
| R1 18 K R52 12 K |
| .R2 10-33 R53 1,2 K |
| R3 12 K R54 100 |
| R4 1,2 K R55 390 |
| R5 1,5 K R56 3,3 K |
| R6 100 R57 56 K |
| R7 390 R58 3,9 K |
| R8 56 K R59 18 K |
| R9 3,3 K R60 10-33 |
| R10 3;9 K R61 150 K |
| R11 56 K R62 12 K |
| R12 750 R63 1,2 K |
| R13 560 R64 100 |
| R15 1,8 K R65 390 |
| R16 2,7 K R66 56 K |
| R17 22 K R67 3,3 K |
| R18 470 K R68 3;9 K |
| k19 62 R691 10 K |
| R20 2;7-K R70 3,3 K |
| R21 1,2 K R71 56 K . |
| R22 27 R72 18 K |
| R23 12 K R73 10-33 |
| R24 6,8 K R74 12 K |
| R25 6,8 K R75 1,2 K |
| R26 1 K R76 100 |
| R27 1 K R77 390 |
| R28 2,2 K R78 150 K |
| R29 1 K R79 10 |
| R30 2,2 K R80 2,2 K |
| R31 2,2 K R81 1 K |
| R32 1 K - R82 2,2 K |
| R33 2,2 K R83 2,2 K |
| R34 1 K R84 1 K |
| R35 33 K R85 2,2 K |
| R36 10 K R86 1 K |
| R37 4;7 K R87 33 K |
| R38 2,2 K R88 10 K |
| R39 1 K R89 232 K |
| R40 2,2 K R90 1 K |
| R41 2,2 K R91 2,2 K |
| R42 1 K R92 2,2 K |
| R43 2,2 K R93 1 K |
| R44 6,8 K R94 2,2 K |
| R45 1 K R95 4,7 K |
| R46 33 K R96 10 K |
| R47 4,7 K R97 33 K |
| R48 10 K R98 1 K |
| R49 150 K R99 6,8 K |
| R50 18 K R100 56 K |
| R51 10-33 R 101 750 |
| Fortsetzung |
| Einzelwerte für die in den F i g. 4 a, 4 b und 4 c |
| gezeigten Teile |
| R102 750 C22 4,7 35V |
| R103 560 C23 kein Wert |
| R104 2,1 K C24 4,7 35 V |
| R 105 1,8 K C25 ,33 |
| R 106 62 C26 ,33 |
| R 107 2;7 K C27 ,27 |
| R108 22 K C28 ;062 |
| R109 470 K C29 ,27 |
| R110 1,2 K C30 ,062 |
| R111 27 C31 82 50 V |
| R112 12 K C32 82 50 V |
| R113 680 C33 ;33 |
| R114 1 K C34 ,01 |
| R115 330 C351 0-0,1 |
| R 116 100 C36} |
| R117 22 K C37 ,33 |
| R118 33 C38 ,01 |
| R119 200 C391 0-0,1 |
| R120 1 C40 |
| R 121 470 C41 ,1 |
| R122 1 K C42 ,1 |
| R123 1 K C43 82 50 V |
| R 124 1 K C44 82 50 V |
| R 125 1 K C45 4;7 |
| R 126 560 C46 4,7 |
| R127 560 C47 4,7 35V |
| R128 560 C48 kein Wert |
| R200 220 C49 4,7 35 V |
| C1 ,047 35V Q1 300C022-1 |
| C2 ;047 35 V Q2 2N526 |
| C3 ,047 35 V Q3 300C022-1 |
| C4 ,047 35 V Q4 2N526 |
| C5 4;7 10V Q5 300C022-1 |
| C6 4,7 10V Q6 2N526 |
| C7 4,7 10V Q7 300C022-1 |
| C8 4;7 10V Q8 2N526 |
| C9 15 20 V Q9 2N465 |
| C 10 15 20 V Q10 2N539A |
| C il 15 20 V Q 11 300C022-1 |
| C12 15 20 V Q12 300C022-1 |
| C13 82 50 V Q 13 300C022-1 |
| C14 82 50 V Q14 300C022-1 |
| C15 82 50 V Q15 2N465 |
| C16 82 50 V Q 16 2N539A |
| C17 4;7 30V Q.17 2N43A |
| C18 4,7 30 V Q 18 2N43A |
| c19 4;7 30 V Q 19 2N539A |
| C20 4,7 30 V Q20 2N539A |
| C21 4,7 30V |