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Verfahren zur Leistungsregelung eines Verbrauchers Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur stufenweisen Leistungsregelung eines Verbrauchers durch
wiederkehrende Abschaltung der ihm zugeführten Wechselspannung.
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Die Leistung eines Wechselstromverbrauchers kann in der Weise geregelt
werden, daß die ihm zugeführte . Wechselspannung (Speisespannung) wiederkehrend
kurzzeitig abgeschaltet wird, wobei zur stufenweisen oder kontinuierlichen Verkleinerung
der Verbraucherleistung die Dauer der wiederkehrenden Abschaltung kontinuierlich
oder stufenweise vergrößert wird.
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Bei der bekannten Phasenanschnittsteuerung wird die wiederkehrende
kurzzeitige Abschaltung dadurch hergestellt, daß dem Verbraucher die Wechselspannung
über einen Thyristor
oder ein Triac zugeführt wird, dessen Zündpunkt
so einstell--bar ist, daß die Phase jeder Halbwelle der Wechselspannung unter Jedem
beliebigen Winkel angeschnitten werden kann und damit dem Verbraucher von Jeder
Halbwelle der Wechselspannung nur ein mit zunehmender Größe des Phasenanschnittwinkels
kleiner werdender Teil als Speisespannung zugeführt wird.
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Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß durch den in jeder Halbperiode
der Wechselspannung erfolgenden Phasenschnitt hochfrequente Störspannungen entstehen,
deren Unterdrückung -einen großen Aufwand erfordert und die Anwendung des Phasenschnittverfahrens
auf kleinere Leistung z. B. von max. 1000 Watt beschränken.
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Bei der bekannten Schwingungspaketsteuerung wird wiederkehrend ein
Schwingungspaket der Wechselspannung abgeschaltet, wobei die zeitliche Länge der
abgeschalteten Schwingungspakete abgängig von einem freischwingenden Sägezahn- oder
Rechteckgenerator gesteuert wird. Die bekannte analog gesteuerte Schwingungspaketsteuerung
läßt nur eine grobe Regelung mit langen Schaltintervallen zu.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein digitales Steuerverfahren
zur wiederkehrenden Ab- und Einschalung der Speisespannung eines Verbrauchers zu
entwickeln, bei dem die Wechselspannung ohne zusätzliche Schaltmaßnahmen jeweils
in einem Nulldurchgang ein- und abgeschaltet wird und bei dem das Verhältnis
der
wiederkehrend abgeschalteten Schwingungszüge zu den wiederkehrend eingeschalteten
Schwingungszügen so einstellbar ist, daß eine feinstufige, jederzeit reproduzierbare
Leistungsregelung des Verbrauchers möglich ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch7 daß zu digitalen Ansteuerung
der wiederkehrenden, abwechselnden Abschaltung von m Schwingungszügen und Wiedereinschaltung
von (n - m) Schwingungszügen der dem Verbraucher zugeschalteten Wechselspannung
U f (t) ein bistabiler Multivibrator, der in Zusammenwirkung mit einem von ihm gesteuerten
und zwischen dem Verbraucher und dessen Wechselspannungsquelle geschalteten, elektronischen
Schalter die dem Verbraucher zugeschaltete Wechselspannung U f (t) jeweils mit Beginn
und für die Dauer seines ersten (zweiten) Schaltzustandes abschaltet (einschaltet),
mit seinem ersten Stelleingang dem p-ten Ausgang und mit seinem zweiten Stelleingang
dem (p + m)-ten Ausgang eines mit n Zählwertstufen und -ausgängen ausgelegten, elektronischen
Impulszählers nachgeschaltet wird, der die in konphas einsetzende Rechteckimpulse
umgewandelten Schwin-gungszüge der dem Verbraucher zugeführten Wechselspannung U
. f (t) zählt und in mit der Umlauffrequenz F = f : n des Zählers wiederkehrend
jeweils im Takte der Wechselspannungsfrequenz f aufeinanderfolgend an den n Zählerausgängen
anliegende, den Zählwerten i bis "n" zugeordnete digitale Ausgangssignale
umsetzt,
und daß zur Einstellung von n Leistungsregelstufen die beiden Stelleingange des
Multivibrators über Je einen n-poligen Stufenschalter auf jeden der n Ausgänge des
Zählers schaltbar sind.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in Folgendem:
Werden den n Zählerausgängen, des n-stufigen, elektronischen Zählers und den an
diesen mit der Frequenz F = f : n wiederkehrend anliegenden, digitalen Ausgangssignalen
die Zählwerte "1" bis Dann zugeordnet und werden den beiden Stelleingängen des Multivibrators
zwei vorbestimmten Zählwerten zugeordnete Zählerausgänge zugeschaltet und damit
zwei Zählwertsignale zugeführt, deren Zählwertdifferenz die Größe m hat dann steuern
diese die Ab- und Einschaltung der dem Verbraucher zugeführten Wechselspannung U
. f (t) so, daß von jeweils n wiederkehrend aufeinanderfolgenden Schwingungszügen
der Wechselspannung U . f (t) jeweils m Schwingungszüge abgeschaltet und jeweils
nur (n - m) Schwingungszüge dem Verbraucher zugeführt werden und daß dadurch bedingt
die Leistung L des Verbrauchers (n - m) um den Faktor m/n verkleinert, d. h. auf
die Größe L n reduziert wird.
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Mit einem mit-n Zählerstufen- und Ausgangen ausgelegten Impulszähler
können nun n Leistungsstufen von der Größe L/n eingestellt
werden,
indem die Zählwertdifferenz m der den beiden Stelleingängen zugeführten Zählwertsignale
schrittweise von m = 1 auf m = (n - 1) z. B. in der Weise vergrößert wird, daß der
erste Stelleingang des Multivibrators auf den ersten, dem Zählwert "1" zugeordneten
Zählerausgang geschaltet wird und bleibt, während der zweite Stelleingang aufeinanderfolgend
dem 2ten, 3ten ..... (n - 1)=ten und n=ten Zählerausgang nachgeschaltet wird. Dann
werden aufeinanderfolgend die (n - 1) n - 1 (n - 2) Leistungsstufen . L, . L .....
2/n . L und 1/n . L n n eingestellt.
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In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann bei einem mit
n Zählwertstufen ausgelegten Impulszähler die Zahl der Leistungsregelstufen dadurch
verkleinert werden, daß das Jeweils dem zweiten Ausgang des Multivibrsators entnommene
Ausgangssignal mit seiner Anfangsflanke den Zähler auf den Zählwert "0" zurückstellt.
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Eine weitere Variation der Anzahl der abgeschalteten Schwingungszüge
und der Anzahl der verbleibenden Schwingungszüge wird dadurch erreicht, daß sowohl
das im zweiten Schaltzustand des Multivibrators an dessen zweiten Ausgang anliegende
Ausgangssignal, als auch das jeweils im ersten Schaltzustand des Multivibrators
an dessen ersten Ausgang anliegende Ausgangssignal Jeweils mit ihren Anfangsflanken
die Rückstellung des Zählers auf den Zählwert "0" auslösen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Die Abb. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, Die Abb. 2 zeigt die bei Verwendung eines Binärzählers
sich ergebende Variante der in Abb. 1 dargestellten Schaltungsanordnung.
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Der in seiner Leistung zu regelnde Verbraucher V ist, wie in Abb.
1 schematisch dargestellt, zur wiederkehrenden Abschaltung seiner Speisespannung
U . f (t) an die Wechselspannungsquelle Q über einem impulsgesteuerten, elektronischen
Schalter SS1 angeschlossen, dessen Steuereingang mit dem ersten Ausgang Q eines
flankengesteuerten und als sich selbsthaltender, elektronischer Ein- und Ausschalter
verwendeten, -bistabilen Multivibrators FF1 verbunden ist und der, angesteuert von
dem Jeweils am ersten Ausgang Q des Multivibrators FF1 anliegenden, digitalen Ausgagssignal
S1, die dem Verbraucher V zugeschaltete Wechselspannung U . f (t) abschaltet, Der
Multivibrator FF1 ist mit seinem ersten Stelleingang J über einen n-poligen Drehschalter
P1 und mit seinem zweiten Stelleingang K über einen zweiten n-poligen Drehschalter
P2 den n Zählerausgängen A1 ... An eines mit n Zählwertstulen ausgelegten,
elektronischen
Impulszählers Z nachgeschaltet, der seinerseits über einen Impulsformer ST, z. B.
einen Schmitt-Trigger, mit der Wechselspannungsquelle W verbunden ist und der dadurch
bedingt, wiederkehrend n aufeinanderfolgende Schwingungszüge der dem Verbraucher
zugeschalteten Wechselspannung U . f (t) zählt, d. h. in n digitale Ausgangssignale
umsetzt, die im Takte der Wechselspannungsfrequenz f aufeinanderfolgend sowie mit
der Umlauffrequenz F = (f o n) des Zählers Z wiederkehrend an dessen n Ausgängen
An bis anliegen.
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Die den Zahlen bzw. Zählwerten "1" bis "n" zugeordneten Ausgangssignale
des Zählers Z liefern die Steuersignale für die beiden Schaltzustände des Multivibrators
FF1. Dieser Isird von dem jeweils mit Hilfe des Drehschalters P1 seinem ersten Stelleingang
j zugeführten Ausgangssignal des Zählers Z in den ersten Schaltzustand und von dem
Jeweils mittels des zweiten Dreh Schalter P2 seinem zweiten Stelleingang K zugeführten
Ausgangssignal wieder in den zweiten Schaltzustand gekippt, wobei der bistabile
Nultivibrator FFn jeweils mit Beginn und für die Dauer seines ersten Schaltzustandes
den Schalter SSa betätigt und über diesen die dem Verbraucher g zugeführte Wechselspannung
U . f (t) abschaltet bzw. Jeweils mit Beginn und für die Dauer seines zweiten Schaltzustandes
den Verbraucher V auf die Wechselspannungsquelle w schaltet0 Durch die beschriebene
erfindungsgemäße Ansteuerung des Zählers Z
bedingt, liegen seine
Ausgangssignale im Takte der Wechselspannungsfrequenz f aufeinanderfolgend an den
n Zählerausgängen A1 ... An an und Jedes Ausgangssignal hat die zeitliche Dauer
eines vollen Schwingungszuges der Wechselspannung U f (t), d. h. eine zeitliche
Länge von der Größe to = (1 : f). Der bistabile Multivibrator FF1 wird deshalb abwechselnd
für die Dauer tm = (m : f) von m Schwingungszügen der Wechselspannung U . f (t)
in den ersten Schaltzustand und für die Dauer von t(n - m) = ( (n - m) 8 f)von (n
- m) vollen Schwingungzügen in den zweites Schaltzustand gekippt, wenn sein erster
Stelleingang j mit dem Drehschalter P1 auf den p-ten Zählerausgang Ap und sein zweiter
Stelleingang K auf den (p + m)-ten Zählerausgang Ap+m geschaltet wird. Da sowohl
der Schmitt-Trigger ST als auch der elektronische Impulszähler Z praktisch trägheitsols
schalten, d. h. extrem kleine Ansprechzeiten haben, setzen die n Ausgangssignale
des Zählers Z konphas mit den Schwingungszügen der dem Verbraucher V zugeführten
Wechselspannung U . f (t) ein. Der von zwei, jeweils in einem zeitliche@ Abstand
tm = (m : f) von m (m = 1, 2, 3 ..) Schwingungsperioden to = (1 : f) der Wechselspannung
U . f (t) auftretenden und z. B. den Zahlen "p" und "(p + m)" zugeordneten Ausgangssignalen
des Zählers Z gesteuerte ultivibrator FF1 wird somit Jeweils in einem Nulldurchgang
der echselspannung \3i e £ (t) sowohl in seinem ersten als auch in seinem zweiten
Schaltzustand Jeweils für die Dauer tm = : f) von m Schwingungsperioden to = : f)
in
den ersten Schaltzustand und für die Dauer von t(n - m) = ( (n - m) : f von (n -
m) )Schwingungsperioden to = (1 : f) der Wechselspannung U f (t) in den zweiten
Schaltzustand gekippt und er steuert den seinem ersten Ausgang Q nachgeschalteten
Schalter SS1 so,daß von der dem Verbraucher V zugeführten Wechselspannung U f (t)
abwechselnd m volle Schwingungszüge abgeschaltet werden und (n - m) volle Schwingungszüge
eingeschaltet bleiben. Durch die mit der Umlauffrequenz F = (f : n) des n-stufigen
Impulszählers Z wiederkehrende abwechselnde Abschaltung von m vollen Schwingungzügen
und Wiedereinschaltung von (n - m) vollen Schwingungszügen der Wechselspannung wird
die Leistung L des Verbrauchers und den (n - m) Faktor m/n verkleinert, d. h. auf
die Größe . L n reduziert.
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Ein mit n Zählwertstufen und Ausgängen ausgelegter Impulszähler Z
ermöglicht die Einstellung von n Leistungsregelstufen gleicher Größe, mittels denen
die Leistung L des Verbrauchers von Stufe zu Stufe um je L verkleinert werden kann
bzw. wird.
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Die n Leistungsregelstufen werden z. B. in der Weise eingestellt,
daß der erste Stelleingang J des Multivibrators FF1 mit Hilfe des Drehschalters
P1 auf den ersten, der Zahl "1" zugeordneten Zählerausgang A1 geschaltet wird und
bleibt und daß der zweite Stelleingang K des Multivibrators FF1 mit Hilfe des Drehschalters
P2 aufeinanderfolgend auf den 2ten, 3ten ... nuten, den Zahlen 2nP I?3n, .. "n"
zugeordneten Zahlerausgängen A2, A3 ... An geschaltet wird.
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Der Vollständigkeit halber wird noch erwähnt, daß der elektronische
Schalter SS1 auch so ausgelegt sein kann, daß er jeweils für die Dauer seiner Betätigung
durch das am ersten Ausgang Q des Multivibrators FF1 anliegende Ausgangssignal S1
die dem Verbraucher zugeschaltete Wechselspannung U . f (t) einschaltet und diese
jeweils für die Dauer seines zweiten Schaltzustandes abschaltet. Dann wird die Leistung
L des Verbrauchers V auf die Größe ( L) reduziert, wenn von den beiden Drehschaltern
P1 und P2 eine Zählwertdifferenz von der Größe m eingestellt, d. h. von zwei den
Zahlen "p" und "(p + m)" zugeordneten Zählerausgängen Ap und Ap + m abgegriffen
wird. Weiterhin wird noch erwähnt, daß die phasenstarre Kopplung des Schalters SS1
mit der Nullphase der Wechselspannung U f (t) auch dadurch gesichert werden kann,
daß zur Steuerung des Schalters SS1 ein takt- und flankengesteuerter, bistabiler
Multivibrator FF1, z. B. ein Master-Slave-Flipp-Flopp,verwendet wird, dessen Takteingang
T parallel zum Impulszähler Z dem der Wechselspannungsquelle W nachgeschalteten
Impulsformer ST nachgeschaltet wird und dem dadurch bedingt die vom Impulsformer
ST in eine konphase und synchrone RechteckimpulsSolge umgewandelte Wechselspannung
U f f (t) als Taktfrequenz zugeführt wird.
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Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn die beiden Stelleingänge J und K
des bistabilen Multivibrators FF1 elektronisch so
verriegelbar
sind, daß die dem Verbraucher V zugeführte Wechselspannung entweder dauernd eingeschaltet
oder dauernd ausgeschaltet bleibt.
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In manchen Fällen ist es erwünscht und vorteilhaft, die ab- und eingeschalteten
Schwingungspakete, d. h. die in allen Regelstufen gleich große Gesamtzahl der Schwingungszüge
eines ab- und eingeschalteten Schwingungspaketes und mit dieser die maximale Anzahl
der Schwingungszüge sowohl eines ein- als auch eines abgeschalteten Schwingungszuges
klein zu halten bzw. zu verkleinern. Dies wird erreicht, wenn das dem zweiten Stelleingang
K des Multivibrators FF1 zugeführte Zählerausgangssignal oder das gleichzeitig mit
diesem am zweiten Ausgang @ des Multivibrators anliegende Ausgangssignal S2 mit
seiner Anfangsflanke den Zähler Z auf den Zählwert "O" zurückstellt.und damit die
Zahl der vom Zähler Z wiederkehrend durchlaufenenn Zählwertstufen verkleinert wird.
Wird in der genannten Weise die Zahl der Zählwertstufen des Zählers Z z. B. von
S auf (p + m) Zählwertstufen reduziert9 dann wird die konstante Gesamtzahl der Schwingungszüge
beider Schwingungspakete von r auf ( + und mit dieser auch die maximale Anzahl der
Schwingungszüge sowohl der abgeschalteten als auch des eingeschalteten Schwingungspaketes
von (n - 1) auf (p + m - 1) verkleinert0 Diese Verkleinerung der vom Zähler Z wiederkehrend
durchlaufenen Zählwertstufen ist jedoch mit einer Verkleinerung der Zahl einstellbaren
Regel stufen von n auf (p + m) Regelstufen sowie auf einer Vergrößerung der Größe
jeder Regel stufe von (L : n) auf L : (p + m) verbundene
Eine andere
Möglichkeit der Änderung und Variation sowohl der Umlauffrequenz des Zählers Z als
auch des Verhältnisses der verbleibenden zu den abgeschalteten Schwingungszügen
besteht darin, daß beide abwechselnd anliegenden Ausgangssignale S1 und S2 des Multivibrators
FF1 den Zähler Z Jeweils mit ihrer Anfangsflanke auf den Zählwert "O" zurückstellen.
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Dann ergibt sich bei der obengenannten Einstellung der beiden Drehschalter
P1 und P2 eine Umlauffrequenz F = f : (2p + m) und ein Verhältnis der eingeschalteten
verbleibenden zu den abgeschalteten Schwingungszügen von p : (p + m) und damit eine
Reduzierung der Verbraucherleistung L auf (2 p + ) . L.
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Eine wesentlich größere Anzahl von Regelstufen und damit eine feinstufigere
Regelung der Verbraucherleistung kann erreicht werden, wenn ein mit n binären Zählwertstufen
ausgelegter Binärzähler Z' (Abb. 2) zur Steuerung des Multivibrators FF1 verwendet
wird, da dieser wiederkehrend 2n aufeinanderfolgende Schwingungszüge der Wechselspannung
U £ f (t) zählt und damit die Einstellung von 2n Regel stufen von der Größe 1 :
2n ermöglicht.
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Ist der Binärzähler Z' mit einem Decoder gekoppelt, dann können dessen
2n Ausgänge ebenfalls über je einen 2n-poligen Drehschalter auf die beiden Stelleingänge
J und K des Multivibrators FF1 geschaltet werden. Wird Jedoch ein binärer n bit-Zähler
Z'
mit n bit-Ausgängen verwendet, auf die die aus je n bit bestehenden
Codewörter der n Zählwerte übertragen werden, dann ist zur Zuschaltung der n Ausgänge
A1 ... An des Binärzählers Z' auf die beiden Stelleingänge J und K des Multivibrators
FF1 je eine an sich bekannte n bit-Vergleichsschaltung BP1 und BP2 erforderlich.
Die Wirkungsweise der beiden aus logischen Schaltmitteln aufgebauten n bit-Vergleichsschaltungen
BP1 und BP2 besteht darin, daß jede nur dann dem ihr nachgeschalteten Stelleingang
J oder K des Multivibrators FF1 einen digitalen Steuerimpuls zuführt, wenn die ihren
n Eingängen E1 ... En zugeführte, aus n bit bestehende Binärzahl gleichzeitig an
den n Ausgängen A1 ... An des Binärzählers Z' anliegt.
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Analog zu dem anhand der Abb. 1 beschriebenen elektronischen Impulszähler
Z kann auch mit dem Binärzähler- Z' und mit den beiden n bit-Vergleichsschaltungen
BP1 und BP2 das Verhältnis der Anzahl der abgeschalteten Schwingungszüge zu der
Anzahl der jeweils noch verbleibenden Anzahl Schwingungszüge dadurch variiert werden,
daß der Binärzähler Z' entweder von der Anfangsflanke des jeweils am 2ten Ausgang
1/Q des Multivibrators FF1 anliegenden Ausgangssignales S2 oder von den Anfangsflanken
beider aufeinanderfolgend und abwechselnd anliegenden Ausgangssignalen S1 und S2
auf den binären Zählwert "0" zurückgestellt wird.
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In Fällen die eine Beschränkung der Regel stufen erlauben, können
zur
Bedienungsvereinfachung beide Schalter mechanisch gekuppelt werden oder es besteht
die Möglichkeit, auf einen der beiden Schalter zu verzichten, wobei anstelle des
Schalters eine direkte Verbindung zwischen dem entsprechenden Zähler ausgang und
dem zugehörenden Stelleingang des Multivibrators herzustellen ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere folgende Vorteile:
Es ermöglicht eine feinstufige, jederzeit reproduzierbare Leistungsregelung. Hierbei
kann einerseits sowohl die Zahl der Leistungsregelstufen als auch deren Größe variiert
werden und andererseits für Jede Leistungsreduzierung, d. h. Jede Leistungsregelstufe
eine kürzeste Abschaltzeit eingestellt werden, da die wiederkehrenden Ab- und Einschaltzeiten
des Verbrauchers jeweils einzeln bis auf die Dauer je eines Schwingungszuges seiner
Speise spannung verkleinert werden können.
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Die Speisespannung des Verbrauchers wird außerdem jeweils in einem
Nulldurchgang ein- und ausgeschaltet. Dadurch und durch die jeweils sehr kleinen
Ausschaltzeiten der Speisespannung bedingt erfolgt die wiederkehrende Einschaltung
der Speisespannung und mit dieser die erfindungsgemäße Leistungsregelung
störungsfrei,
so daß diese auch bei großen Leistungen des Verbrauchers, d. h. bei allen praktisch
vorkommenden Wechselspannungen bzw.- Strömen, angewendet werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert einen kleinen technischen
Aufwand.
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- Patentansprüche -