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Die vorliegende Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
definiert ist, betrifft die Kontrolle der Ausgangsleistung
von Sendern, welche mehrstufige Hochfrequenzverstärker mit
Silizium-Leistungstransistoren in Klasse-C und im
Impulsbetrieb verwenden.
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Man benötigt oft eine rasche Steuerung der Regelung
von einem Impulssender ausgehenden Leistungspegelregelung,
wobei die Reaktionszeit in der Größenordnung einer
Millisekunde liegt, um von einem Leistungspegel zu einem anderen zu
gelangen. Ein Beispiel, bei dem dies nützlich ist, ist eine
Sekundärradargerät, dessen Aufgabe es ist, die in seiner
Nähe fliegenden Flugzeuge mit Hilfe eines Impulskodes zu
befragen, um sie zu identifizieren und ihre Positionen zu
erfahren. In einem Sekundärradar muß man rasch die
Sendeleistung verändern können, um die Anzahl der Antworten zu
kontrollieren. Diese Technik zwischen Flüstern und Brüllen
oder im englischen zwischen "whisper and shout" ermöglicht
es, die Erfassungsqualität zu verbessern und eine Vielzahl
von unerwünschten Störantworten zu unterdrücken, indem die
wechselseitige Störung zwischen Sekundärradarstationen
verringert wird.
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Im Stand der Technik wurden mehrere Methoden
eingesetzt, um eine regelbare Leistung am Ausgang eines
Hochfrequenzverstärkers mit mehreren Transistorstufen zu
erhalten, die in Klasse C und im Impulsbetrieb arbeiten. Die
Druckschrift US-A-5 126 688 bietet ein Beispiel eines
Verstärkers, in dem die Leistung durch Einwirkung auf mehrere
Stufen gesteuert wird.
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Die nächstliegende Methode besteht darin,
elektronisch gesteuerte Dämpfungsglieder am Ausgang des Verstärkers
einzufügen. Als wesentlicher Nachteil sind die zusätzlichen
Verluste zu nennen, die kompensiert werden müssen, indem die
Ausgangsleistung des Verstärkers erhöht wird, da diese
Dämpfungsglieder selbst dann Verluste erzeugen, wenn sie in
ihrem Zustand geringster Dämpfung sind. Außerdem ist die
Anzahl der Dämpfungsschritte begrenzt und mit der Qualität
der Dämpfungsglieder verknüpft. Die Erhöhung der
Ausgangsleistung des Verstärkers für die Kompensation der Verluste
der Dämpfungsglieder erhöht die Kosten, das Volumen und das
Gewicht zusätzlich zur Einfügung des Dämpfungsglieds selbst.
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Eine andere Methode besteht darin, die Tatsache
auszunützen, daß die Ausgangsleistung im allgemeinen durch
Summierung der Ausgangssignale mehrerer parallel arbeitender
Stufen erhalten wird, indem man die Ausgangsleistung durch
Stillegen einer oder mehrerer dieser Stufen verringert. Eine
solche Methode wird beispielsweise in dem Patent US-A-4 311
965 beschrieben. Diese Methode ermöglicht nur eine
beschränkte Anzahl von Ausgangsleistungspegeln, die
unregelmäßig verteilt sind. Wenn N die Anzahl von
parallelgeschalteten Stufen und P die Anzahl von stillgelegten Stufen
bezeichnet, dann zeigt sich, daß die Dämpfung hinsichtlich des
Ausgangssignalpegels durch Stillegung von P der N-Stufen
sich durch folgende Formel ergibt: A(dB) = 20log(N-P)/N.
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Für N = 4 könnte man dann die folgenden Dämpfungen
realisieren:
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- für P = 0 A = -0 dB
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- für P = 1 A = -2,5 dB
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- für P = 2 A = -6 dB
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- für P = 3 A = -12 dB
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In gleicher Weise könnte man für N = 8 folgende Dämpfungen
realisieren: -0 dB; -1,16 dB; -2,5 dB; -4 dB; -6 dB;
-8,5 dB; -12 dB und -18 dB. Diese Verteilung ist zu
unregelmäßig und für die meisten Fälle ungeeignet.
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Außerdem ist es bekannt, daß die Ausgangsleistung
eines Leistungsverstärkers in Klasse C durch Veränderung der
Speisespannung variiert werden kann. Diese Methode wird
jedoch bei Verstärkern mit mehreren Stufen in Kaskade in der
Praxis nicht eingesetzt, da der mögliche Variationsbereich
für die Vorspannung nach oben durch Sättigungsprobleme und
nach unten durch Probleme der Stabilität begrenzt ist.
Wenn man also global die Vorspannung mehrerer Stufen in
Kaskadenschaltung oder nur die einer Stufe verändert, erhält
man nur einen sehr geringen Variationsbereich für den
Leistungspegel von etwa 5 bis 10 dB, was in den meisten Fällen
unzureichend ist.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die
Ausgangsleistung eines Verstärkers mit mehreren in Kaskade
geschalteten Transistorstufen über die Vorspannung dieser Stufen in
einem großen Bereich und auf gleichmäßige Art zu steuern.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verstärker
mit mehreren in Kaskade geschalteten Transistorstufen,
dessen Ausgangsleistung in einem großen Bereich einstellbar
ist, der einfach aufgebaut und einen optimalen Wirkungsgrad
hat, wenn er bei voller Leistung verwendet wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur
Regelung der Ausgangsleistung eines Hochfrequenzverstärkers
mit mehreren Transistorstufen in Kaskadenschaltung, die in
Klasse C und Impulsbetrieb arbeiten, das darin besteht,
gleichzeitig und gestuft die Vorspannungen verschiedener
Transistorstufen zu variieren, wobei die relative
Veränderung der Vorspannung einer Stufe mit ihrem Rang in Richtung
der Verstärkung zunimmt.
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Vorzugsweise wird die relative Veränderung der
Vorspannung einer Transistorstufe, die in der Kette der
Stufen des Verstärkers in Verstärkungsrichtung den n-ten
Rang einnimmt, der n-fachen relativen Veränderung der
Vorspannung der ersten Stufe gleichgesetzt.
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Diese Progression der relativen Veränderungen der
Vorspannungen abhängig von der Lage der Transistorstufen
entlang der Verstärkungskette ergibt sich ohne Gefahr von
Schwingungen durch die progressiven Veränderungen der
Leistungspegel der Eingangssignale der Stufen auf Grund der
kumulierten Wirkungen der Vorspannungsänderungen der Stufen,
die in der Verstärkungskette davorliegen. Dadurch kann man
die Variationsbreite der Ausgangsleistung im Vergleich zu
dem deutlich vergrößern, was man erreicht, indem man global
auf die Vorspannung aller Stufen oder nur auf die einer
einzigen Stufe einwirkt.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein
Leistungsverstärker mit mehreren in Kaskade geschalteten
Transistorstufen in Klasse C und im Impulsbetrieb, der nach dem oben
erwähnten Verfahren betrieben wird.
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Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun
an Hand einer nur als Beispiel zu verstehenden
Ausführungsform und der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen
Hochfrequenz-Leistungsverstärker mit drei Transistorstufen in
Kaskadenschaltung gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt eine Kurvenschar für die Veränderung der
Ausgangsleistung, die man mit einem
Silizium-Leistungstransistor im Hochfrequenzbetrieb erzielen kann, abhängig von
der Vorspannung für verschiedene Eingangsleistungen.
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Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit Kurven, die die
erfindungsgemäßen Vorspannungen der drei Verstärkerstufen aus
Fig. 1 abhängig vom gewünschten Dämpfungspegel darstellen.
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In Fig. 1 sieht man einen
Hochfrequenzleistungsverstärker mit drei Siliziumtransistor-Stufen in
Kaskadenschaltung, wobei die Ausgangsleistung in einem weiten Bereich
kontinuierlich geregelt werden kann. Der Verstärker enthält
zwei erste Stufen 10, 20 je mit einem einfachen
Leistungstransistor und eine dritte Stufe, die von der
Parallelschaltung von vier Leistungstransistoren 30, 31, 32, 33 gebildet
wird. Jede Stufe wird von einer individuellen regelbaren
Vorspannungsschaltung 100, 200, 300 gespeist, die von einer
Leistungssteuerschaltung 40 gesteuert wird.
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Die verschiedenen Transistoren sind
Siliziumtransistoren. Die Transistoren der beiden ersten Stufen 10, 20 am
Eingang sind so dimensioniert, daß sie eine Leistung von je
250 Watt liefern, während die Transistoren der dritten Stufe
300 eine Leistung von je 350 Watt liefern.
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Die individuellen regelbaren Vorspannungsschaltungen
100, 200, 300 sind Digital-Analogwandler, die analoge
Spannungen entsprechend digitalen Sollwerten liefern, die von
der Leistungssteuerschaltung 40 stammen.
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Die Leistungssteuerschaltung 40 ist ein digitaler
Speicher, der eine Tabelle der Vorspannungswerte enthält,
die an jede der drei Stufen des Verstärkers abhängig von der
gewünschten Ausgangsleistung angelegt werden können.
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Die Silizium-Leistungstransistoren der drei
Hochfrequenzverstärkerstufen arbeiten in Klasse C und im
Impulsbetrieb. Um in diesem Betrieb richtig ohne die Gefahr einer
Sättigung oder einer Instabilität zu arbeiten, müssen sie
eine Vorspannung besitzen, die in einem bestimmten Bereich
liegt, der von ihrer Eingangsleistung abhängt.
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Genauer betrachtet, wie dies aus den Kurven aus Fig. 2
hervorgeht, ist der Bereich der Vorspannungen nach oben
wegen der Sättigungsprobleme durch einen praktisch
konstanten Maximalwert und nach unten wegen der
Instabilitätsprobleme durch einen Minimalwert begrenzt, der mit der
Eingangsleistung zunimmt. In Fig. 2 zeigen die Kurven P1, P2,
P3, P4, P5 die Veränderung der Ausgangsleistung, die von
einem Silizium-Leistungstransistor für Hochfrequenz in
Klasse C und Impulsbetrieb bei einer konstanten
Eingangsleistung abhängig von der Vorspannung für abnehmende
Eingangsleistungen (P1 > P2 > P3 > P4 > P5) erzielt werden kann. Der
linke, gestrichelte Teil der Kurven zeigt die
Instabilitätszone, während der rechte, durchgezogene Teil die stabile
Zone bezeichnet.
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Begnügt man sich also, die Vorspannung einer einzigen
Stufe, in der Praxis der letzten Stufe, zu verändern, dann
kann man dies nur in einem beschränkten Bereich tun und
erhält somit nur eine Veränderung der Ausgangsleistung des
Verstärkers von einigen Dezibel. Die Lage wird verbessert;
wenn man global die Vorspannung aller Stufen des Verstärkers
variiert, ohne dabei einen Variationsbereich der
Ausgangsleistung für den Verstärker von einigen 10 Dezibel zu
überschreiten.
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Um diese Beschränkung zu überwinden, wird für das
Verstärkerschema aus Fig. 1 vorgeschlagen, die Vorspannungen
der verschiedenen Stufen des Verstärkers in
Kaskadenschaltung getrennt zu variieren, um von der Absenkung der unteren
Grenze des Variationsbereichs der Vorspannung einer Stufe
auf Grund der Verringerung der durch die Absenkung der
Vorspannungen der Stufe oder Stufen davor hervorgerufenen
Absenkung der Eingangsleistung zu profitieren. Dadurch
ergibt sich ein Variationsbereich der Ausgangsleistung des
Verstärkers, der wesentlich größer ist und bis zu 20 dB
erreichen kann, was einen wesentlichen Fortschritt
darstellt. So erreicht man für
Silizium-Hochfrequenztransistoren einer Leistung von 250 und 350 Watt mit einer größten
Vorspannung von etwa 90 Volt Werte der Leistungsdämpfung am
Ausgang des Verstärkers, die gleichmäßig zwischen Null und
20 dB verteilt sind, indem man die drei Stufen des
Verstärkers gemäß den Werten aus der nachfolgenden Tabelle
vorspannt.
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Die verschiedenen Werte dieser Tabelle ergeben die
Kurven aus Fig. 3 und damit eine Überblick über die
relati
ven Veränderungen der Vorspannungen der drei Stufen des
Verstärkers abhängig von der gewünschten Dämpfung der
Ausgangsleistung. Diese Kurven können durch die folgende
Polynomialformel modellmäßig nachgebildet werden:
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Vn = Vn,4x&sup4; + Vn,3x³ + Vn,2x² + Vn,1x + Vn,0
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Hierbei bedeutet n den Rang der Stufe in der
Verstärkungsrichtung, Vn die an die n-te Stufe anzulegende Spannung (in
Volt); Vn,j sind Koeffizienten, x ist die Dämpfung in dB.
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Für die erste Stufe ergibt diese Polynomialformel
folgenden Wert:
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V&sub1; = -(7/1500)x³ + (3/20)x² - (61/30)x + 40
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Dieser Wert gilt für x zwischen 0 und 15 V. Jenseits dieses
Werts, das heißt zwischen 16 und 20 V, muß man unabhängig
vom Dämpfungswert V&sub1; = 27 V setzen.
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Für die zweite Stufe lautet diese Formel
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V&sub2; = (1/15000)x&sup4; - (3/500)x³ + (119/600)x² - (69/20)x + 44
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Für die dritte Stufe lautet diese Formel
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V&sub3; = (1/3000)x&sup4; - (7/375)x³ + (53/120)x² - (371/600)x + 50
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Man kann diese Veränderungen der Vorspannung
abhängig von der gewünschten Dämpfung der Ausgangsleistung
einfacher auch dadurch zum Ausdruck bringen, daß man
beachtet, daß die relative Veränderung der Vorspannung, die an
die zweite Stufe des Verstärkers angelegt wird, etwa doppelt
so groß wie die an die erste Stufe angelegte ist und daß die
relative Veränderung der an die dritte Stufe angelegten
Vorspannung etwa drei mal so groß wie die der ersten Stufe
ist. Dies läßt sich in den beiden folgenden Formeln
zusammenfassen:
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ΔV&sub2;/V&sub2; = 2*ΔV&sub1;/V&sub1; und ΔV&sub3;/V&sub3; = 3*ΔV&sub1;/V&sub1;
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Diese Formeln lassen sich auch so ausdrücken:
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ΔV&sub1;/V&sub1; = ¹/&sub3;*ΔV&sub3;/V&sub3; und ΔV&sub2;/V&sub2; = ²/&sub3;*ΔV&sub3;/V&sub3;
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Man erhält also einen großen Regelbereich für den
Ausgangsleistungspegel, indem man die verschiedenen in
Kaskade geschalteten Stufen eines
Hochfrequenz-Leistungsverstärkers mit Siliziumtransistoren relativen Veränderungen
der Vorspannung aussetzt, die proportional zu ihrem Rang in
der Verstärkungskette abgestuft sind.
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Das oben erwähnte Proportionalgesetz gilt in
Wirklichkeit nur angenähert und muß durch eine experimentelle
Nachregelung der berechneten Werte ergänzt werden, um die
besonderen Merkmale der Schaltung und der verwendeten
Bauteile zu berücksichtigen. Die Existenz dieser
Proportionalität liefert aber dem Ingenieur die Mittel, um die
Ausgangsleistung des Verstärkers in einem weiten Bereich zu steuern,
indem sicher und schnell die Vorspannungen bestimmt werden,
die an die verschiedenen Stufen für jeden gewünschten Wert
der Ausgangsleistung angelegt werden müssen.
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Für die Bestimmung der Vorspannungen der
verschiedenen Stufen eines Verstärkers beginnt man mit der Bestimmung
der Nennwerte entsprechend der maximalen Ausgangsleistung,
wobei man darauf achtet, den Kollektorverstärkungsgrad der
verschiedenen Transistoren zu optimieren und ihren
Leistungsverstärkungsgrad zu egalisieren, ohne den stabilen
Arbeitsbereich zu verlassen. Dann verringert man die
Vorspannung der dritten Stufe um A %, die Vorspannung der
zweiten Stufe um 2A/3% und die Vorspannung der ersten Stufe
um A/3%. Dann erfolgt gegebenenfalls eine Abstimmung der
Vorspannungen der ersten und der zweiten Stufe, um die
Stabilität zu optimieren. Man testet verschiedene Werte für
A und notiert die verwendeten Vorspannungen für die drei
Stufen sowie die erhaltene Dämpfung der Ausgangsleistung im
Vergleich zum Nennleistungspegel. So ergibt sich eine
entsprechende Tabelle wie die obige Tabelle, und man trägt
diese in einen Festwertspeicher ein, der die
Leistungssteuerschaltung bildet, mit der die Digital- Analogwandler der
einzelnen Vorspannungsschaltungen der verschiedenen Stufen
gesteuert werden.
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Es ist wichtig, daß das Proportionalitätsgesetz
unmittelbar in die direkte Nähe der richtigen Werte der
Vorspannung für die verschiedenen Stufen des Verstärkers
führt. Dies verhindert, daß man an der richtigen Kombination
vorbeiläuft, was eine große Gefahr darstellt, wenn man nur
so herumprobiert.
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Um die obige Tabelle der Vorspannungen der drei
Stufen des Verstärkers gemäß Fig. 1 zu erhalten, ging man
gemäß folgenden Schritten vor:
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- Bestimmung der Vorspannungswerte für die Nennleistung
von 1 kW: Dies ergibt V&sub1; = 40 V, V&sub2; = 44 V, V&sub3; = 50 V.
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- Verringerung von V&sub3; um 75% und dementsprechend von V&sub2; um
50% sowie V&sub1; um 25%. Die neuen Werte sind V&sub1; = 12,5 V, V&sub2; = 22
V und V&sub3; = 30 V. Die am Ausgang des Verstärkers meßbare
Leistungsverringerung beträgt etwa 12 dB. Nach der
Feinabstimmung, um den Betrieb perfekt zu machen, betragen die
Werte der Vorspannungen für die drei Stufen 13 V, 22 V bzw.
30 V (13. Zeile der Tabelle).
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- Verringerung mit anderen Prozentwerten, bis eine
ausreichend genaue Korrespondenz zwischen den verschiedenen
gewünschten Dämpfungswerten und den drei Vorspannungen
erhalten wird. Im Beispiel der obigen Tabelle suchte man
Prozentwerte für die Abnahme ausreichend nahe beieinander,
um den Leistungspegel am Ausgang des Verstärkers zwischen
Null und 20 dB mit einem Schrittabstand von 1 dB variieren
zu können.
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Mit der Ausführung gemäß Fig. 1 kann die Zeit für
die Vorspannungsregelung unter einer Mikrosekunde liegen,
sodaß man selbst auf die Form der ausgesendeten Impulse
einwirken kann, um Anstiegs- und Abfallsflanken zu
korrigieren oder um Leistungsabfälle innerhalb der Impulse auf Grund
der Erwärmung der Leistungstransistoren während der Dauer
eines einzigen Impulses zu kompensieren.
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Diese Methode zur Einstellung der Ausgangsleistung
eines Leistungsverstärkers mit mehreren Transistorstufen in
Kaskadenschaltung, die bei Hochfrequenz und in Klasse C
betrieben werden, durch gleichzeitige und gestufte
Veränderung der Vorspannungen der verschiedenen Stufen kann mit der
anderen Methode kombiniert werden, die darin besteht, in
einer Stufe eines oder mehrere parallel arbeitende Elemente
stillzusetzen. Dadurch ergibt sich ein noch größerer Bereich
der Veränderung der Ausgangsleistung ohne den Nachteil
dieser letztgenannten Methode, da ja bereits eine
Möglichkeit zu Regelung in so engen Schritten wie gewünscht
vorliegt.