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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Stromzähler, der
einen Messkreis zum Messen des Stromverbrauchs und einen Versorgungskreis
umfasst, der einen durch ein Stromnetz versorgten Hauptkondensator
und einem getakteten Transformator umfasst, der mindestens eine
Primärwicklung
um den Transformatorkern und mindestens eine Sekundärwicklung
um die Primärwicklung
hat, wobei die Primärwicklung
an den Hauptkondensator über
einen Schaltkreis und die Sekundärwicklung
an den Messkreis angeschlossen ist.
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Die
Verwendung eines durch einen getakteten Schaltkreis („getakteter
Transformator")
in einem Versorgungskreis gesteuerten Transformators als „DC/DC"-Wandler ist bei
elektronischen Zählern
gut bekannt. Der Hauptkondensator wird über den Schaltkreis alternierend
an die Primärwicklung
des Transformators an- und abgeschaltet, um bei der Sekundärwicklung
des Transformators eine Spannung zu erzeugen. Die so erzeugte Spannung
wird gefiltert und zum Messkreis weitergeleitet. Der getaktete Transformator
wird kontrolliert, um eine relativ konstante Spannung an den Messkreis
zu liefern.
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Diese
Spannungsregelung wird typischerweise mit einer Umkehrwicklung durchgeführt, die die
Spannung der Sekundärwicklung überwacht
und die ein Kontrollsignal an den Schaltkreis sendet, um die Zeit
der Verbindung des Hauptkondensators mit dem Transformator zu kontrollieren.
Die Umkehrwicklung befindet sich typischerweise um den Kern herum
zwischen der Primär- und Sekundärwicklung. Die
Umkehrwicklung ist mit der Sekundärwicklung stark gekoppelt,
um die Schwankung der Spannung an den Ausgängen der Sekundärwicklungen
präzise überwachen
zu können,
um das Kontrollsignal zu erzeugen, das an den Schaltkreis geschickt
wird.
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Dabei
ist anzumerken, dass sich die Masse des Messkreises oft von der
Masse des Versorgungskreises unterscheidet. So wird zum Beispiel
bei einem Mehrphasenzähler,
der bei einem Verlust des Nullleiters funktionieren kann, der Hauptkondensator mit
einem Strom versorgt, der sich aus der Gleichrichtung aller Phasen
und des Nullleiters in bezug auf eine Masse ergibt, die dem Gleichrichter
und dem Versorgungskreis gemeinsam ist und sich vom Nullleiter unterscheidet.
Dem gegenüber
wird die Masse des Messkreises einfach vom Nullleiter gebildet.
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Bei
einer Stromunterbrechung wird die Versorgung des Messkreises während eines
Zeitabschnitts durch die im Kondensator gespeicherte Last gewährleistet.
Zur Identifizierung einer Stromunterbrechung und Bestimmung der
restlichen Last muss der Messkreis die Entwicklung der Spannung
an den Klemmen des Hauptkondensators überwachen. Da sich jedoch die
Masse des Versorgungskreises von der Masse des Messkreises unterscheidet,
kann der Messkreis die Spannung nicht direkt messen.
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Bei
konventionellen Systemen wird die Spannung anhand einer isolierenden
Schnittstelle zwischen den beiden Kreisen ge messen, zum Beispiel
unter Verwendung eines Opto-Kopplers oder eines Differentialverstärkers, die
in der Lage sind, den Potentialunterschied zwischen den Kondensatorklemmen
zu messen. Diese Lösungen
sind relativ kostspielig und benötigen
zur Definition der Schnittstelle eine große Anzahl von Bauteilen.
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Das
Dokument
EP 0129454 bezieht
sich auf ein Verfahren zur Messung der Autonomie einer elektrisch
getakteten Versorgung und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die mit den bekannten
Systemen verbundenen Probleme zu überwinden, um die Überwachung
der Spannung des Kondensators des Versorgungskreises mit einem Minimum
an zusätzlichen
Bauteilen zu ermöglichen
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Ein
erfindungsgemäßer Stromzähler ist durch
einen Überwachungskreis
gekennzeichnet, der eine zusätzliche
Bewicklung um den Transformatorkern zwischen dem Kern und mindestens
einem Teil der Primärwicklung
aufweist, sowie einen Integrationskreis, der parallel mit der zusätzlichen
Bewicklung geschaltet ist und so bemessen, um eine zur Spannung
des Hauptkondensators etwa proportionale Spannung zu liefern.
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Die
zwischen dem Transformatorkern und der Primärwicklung positionierte zusätzliche
Bewicklung ist sehr stark mit der Primärwicklung gekoppelt. Dagegen
wird sie von der Primärwicklung
vor den Wirkungen von Strömen,
die in den Sekundärwicklungen
und in der Umkehrwicklung fließen,
geschützt.
Der Kopplungseffekt zwischen der zusätzlichen Bewicklung und der
Primärwicklung
bewirkt, dass die zusätzliche
Bewicklung die Entwicklung der Spannung am Hauptkondensator genau
verfolgen kann und so einen Hinweis auf eine Stromunterbrechung
liefern und die im Kondensator verbliebene restliche Last messen.
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Die
zusätzliche
Bewicklung kann direkt um den Kern zwischen dem Kern und der Primärwicklung
gewickelt werden. Jedoch sind auch andere Ausführungsformen möglich, bei
denen zum Beispiel die Primärwicklung
in zwei Teile unterteilt ist, wobei die zusätzliche Bewicklung zwischen
die beiden Teile der Primärwicklung
gewickelt wird. Jedoch wird die zusätzliche Bewicklung von der
Primärwicklung
gegenüber
Wirkungen von Strömen,
die in den Sekundärwicklungen
und/oder einer Umkehrwicklung fließen, geschützt.
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Damit
wird verständlich,
dass die Lösung
der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu konventionellen Überwachungssystemen
kostengünstig
ist und mit einer kleinen Anzahl von Bauteilen implementiert werden
kann.
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Wie
wir oben beschrieben haben, wird in einem getakteten Transformator
die Spannung des Hauptkondensators für einen variablen Zeitraum
angelegt. Dieser Zeitraum wird vom Kontrollsignal bestimmt, das
zum Beispiel von der Umkehrwicklung eingeht. Ziel dieses Kontrollsystems
ist es, an den Ausgängen
der Sekundärwicklung
eine relativ konstante Spannung zu gewährleisten. Die Umkehrwicklung
ist mit der Sekundärwicklung
stark gekoppelt und erzeugt ein Kontrollsignal, das schnell auf
Spannungsschwankungen der Sekundärwicklung
anspricht. Aus diesem Grund ist es unmöglich, den Wert der Spannung
des Hauptkondensators anhand des Wertes der Spannung am Ausgang
der Sekundärwicklung
zu bestimmen.
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Dem
gegenüber
erlauben die starke Kopplung zwischen der sekundären Bewicklung und der Primärwicklung
sowie die schwa che Kopplung zwischen der Umkehrwicklung und der
zusätzlichen
Bewicklung und die Dimensionierung des Integrationskreises im Überwachungskreis
dem Überwachungskreis,
trotz der Taktung der Spannung durch den Schaltkreis ein getreues
Abbild der Spannung des Kondensators zu liefern.
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Die
exakten Werte der Bauteile im Integrationskreis werden vom Hersteller
in Abhängigkeit
der anderen Parameter des Systems gewählt, vor allem die Spannungen
und die Ströme,
die im Stromkreis fließen,
die Abmessungen des Transformators usw. Jedoch ist der Integrationskreis
zur Gewährleistung einer
einwandfreien Funktion des Überwachungskreises
so dimensioniert, dass er eine relativ kleine Zeitkonstante hat.
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In
einem Integrationskreis, der aus einem Kondensator und einem Widerstand
besteht, ist der Widerstandswert normalerweise relativ hoch und
der Kondensatorwert ist normalerweise relativ niedrig.
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Vergleichsweise
wird der zwischen einer Sekundärwicklung
und dem Messkreis positionierte Filterkreis normalerweise durch
eine relativ große
Zeitkonstante definiert und hat einen großen Kondensator.
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Die
Anzahl der Windungen der zusätzlichen Bewicklung
ist vorzugsweise relativ klein im Vergleich zur Anzahl der Windungen
der Primärwicklung.
So kann zum Beispiel bei einem Werteverhältnis von 40:1 zwischen der
Spannung des Hauptkondensators und der vom Überwachungskreis gemessenen Spannung
der Koeffizient, der sich aus der Anzahl der Windungen der zusätzlichen
Bewicklung und der Anzahl der Windungen der Primärwicklung ergibt, einen Wert
von 1:33 haben. Es versteht sich, dass der genaue Wert des Koeffizienten
von den Abmessungen des Stromkreises, der Kopplung zwischen der Primärwicklung
und dem Kern, der Kopplung zwischen dem Kern und der zusätzlichen
Bewicklung usw. abhängt.
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Der
Integrationskreis ist vorzugsweise ebenfalls mit einer Diode zur
Gleichrichtung des Stroms am Ausgang der zusätzlichen Bewicklung ausgestattet.
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Die
vorliegende Erfindung wird vor allem auf einen Versorgungskreis
für einen
Stromzähler
mit einem getakteten Transformator angewendet, der mit einer Umkehrwicklung
ausgestattet ist, die die Spannung der Sekundärwicklung überwacht, um dem Schaltkreis
ein Kontrollsignal zu liefern.
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Es
sind andere Ausführungsformen
eines getakteten Transformators bekannt, die zum Beispiel einen
Sensor verwenden, um die Spannung der Sekundärwicklung zur Erzeugung des
Kontrollsignals, das auf den getakteten Stromkreis angewendet wird, direkt
zu messen. Allerdings stellt eine Umkehrwicklung die optimale Lösung dar,
da die Notwendigkeit gegeben ist, die Primärwicklung vor der Sekundärwicklung
des Transformators zu isolieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat der getaktete Transformator zwei
Sekundärwicklungen,
die eine gemeinsame Masse haben und um den Transformator einander
gegenläufig
gewickelt sind, um jeweils eine positive und eine negative Spannung
zu liefern.
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Die
meisten der bei der Zählung
genutzten Messkreise benötigen
eine Versorgung, die in der Lage ist, eine positive und eine negative
Spannung zu liefern, und diese Ausführungsform entspricht diesem
Bedürfnis.
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Die
Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung, die einer
Ausführungsform
der Erfindung folgt, die als illustratives Beispiel ohne Beschränkung gegeben
wird, besser verstanden, und sich auf die anliegenden Zeichnungen
bezieht, von denen:
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1 die allgemeine Architektur
eines Stromzählers
zeigt,
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2 die Architektur eines
Gleichumrichters nach vorliegender Erfindung, umfassend einen mit einem
PWM-Regler gekoppelten Transformator, zeigt,
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3 ein Schema der internen
Organisation der verschiedenen Wicklungen um den Kern im Transformator
von 2 ist,
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4 die Kurve des Ausgangs
der zusätzlichen
Bewicklung in Abhängigkeit
der Spannung an den Klemmen des Hauptkondensators ist, und
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5 die zeitliche Entwicklung
der Spannung am Ausgang der zusätzlichen
Bewicklung und der Spannung an den Klemmen des Hauptkondensators
zeigt.
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1 zeigt die interne Organisation
eines Beispiels eines Dreiphasenzählers, bei dem der Nullleiter
verlustig gehen kann. Dieser mit 1 bezeichnete Zähler wird
von einem Versorgungskreis gebildet, der einen Gleichrichterteil 2 und
einen Gleichumrichterteil 3 umfasst, sowie von einem Messkreis 4. Über den
ersten Teil, den Gleichrichterkreis 2, wird der Zähler 1 an
die drei Phasen L1, L2,
L3 und an den Nullleiter N des dreiphasigen
Netzes angeschlossen und liefert am Ausgang eine Gleichspannung
an den Hauptkondensator Co. Ziel der Erfindung
ist es, ein Abbild dieser Gleichspannung an den Klemmen von Co zu
erhalten, die man am Eingang des Gleichumrichterkreises 3 findet,
um eventuelle Stromverluste im Netz feststellen zu können.
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Der
Gleichrichterkreis 2 und der Gleichumrichterkreis 3 versorgen
den Messkreis 4. Wie 2 zeigt,
besteht der verwendete Gleichumrichterkreis aus einem Schaltkreis
mit einem PWM-Regler 20 und einem Transformator 5.
Auch erkennt man am Eingang den Hauptkondensator Co, dessen Spannungsabbild
man erhalten möchte.
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Die
Versorgungskreise und der Messkreis haben nicht denselben Potentialbezug.
So beziehen sich der Kondensator Co, der
PWM-Regler 20 und der Primärkreis 6 des Transformators 5 auf
die Masse des Kreises, währenddessen
sich die Gesamtheit des Sekundärkreises,
bestehend aus den Elementen 7, 8, 10,
der den Messkreis versorgt, sowie der Messkreis selbst auf den Nullleiter
beziehen. Es wird verständlich,
dass es schwierig ist, eine direkte Messung der Spannung an den
Klemmen des Hauptkondensators auf Ebene der Sekundärwicklung
vorzunehmen, da die Potentialbezüge
nicht dieselben sind.
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Der
in 3 dargestellte verwendete
Kondensator 5 wird ursprünglich von vier verschiedenen aufeinanderfolgenden
Wicklungen gebildet: einer Primärwicklung 6 um
den Kern 12, einer Umkehrwicklung 9 um die Primärwicklung 6,
einer erste Sekundärwicklung 7 um
die Umkehrwicklung 9 und schließlich einer zweiten Sekundärwicklung 8 um
die erste Sekundärwicklung 7.
Um ein getreues Abbild der Spannung des Kondensators Co,
die man im übrigen an
den Klemmen der Primärwicklung 6 findet,
zu erhalten, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine zusätzliche Bewicklung 10 zwischen
den Kern 12 und die Primärwicklung 6 eingefügt.
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Am
Ausgang der beiden Sekundärkreise möchte man
eine konstante Gleichspannung erhalten. Dazu muss man am Ausgang
des ersten Sekundärkreises
eine positive Spannung Vcc und symmetrisch dazu am Ausgang des zweiten
Sekundärkreises
eine negative Spannung Vee erhalten. Zu diesem Zweck weist jeder
Sekundärkreis
eine Diode, einen Kondensator und einen Widerstand auf, die parallel zur
Wicklung platziert sind.
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Man
platziert zum Beispiel eine Diode D1 nach der Wicklung 7 und
einen Kondensator C1 und einen Widerstand
RL1 parallel zur Wicklung und zur Diode,
um eine positive Spannung Vcc zu erhalten. Auf die gleiche Art platziert
man zum Beispiel eine Diode D2 nach der
Wicklung 8 und einen Kondensator C2 und
einen Widerstand RL2 parallel zur Wicklung und
zur Diode, um eine negative Spannung Vee zu erhalten.
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Die
Richtung, in der die Wicklungen aufgewickelt sind, die auf den Schemata
in konventioneller Weise durch den Punkt neben jeder Wicklung angegeben
ist, und die Orientierung der Dioden sind zwischen den beiden Kreisen
umgekehrt, um eine positive Spannung am Ausgang des ersten Sekundärkreises
bzw. eine negative Spannung am Ausgang des zweiten Sekundärkreises
zu erhalten.
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Die
mit einer Diode 21 und einem Kondensator 24 verbundene
Umkehrwicklung 9 überwacht
die Spannung an den Klemmen der Sekundärkreise und hat die Aufgabe,
die Spannung an der Primärwicklung
zu ändern,
um am Ausgang der Sekundärkreise Gleichspannungen
zu erhalten. Zwischen der Umkehrwicklung und den Sekundärwicklungen
besteht eine starke Kopplung. Dieser Umkehrkreis kontrolliert unter
dem Einfluss der Sekundärkreise
den PWM-Regler 20 und einen Transistor 11. Diese
beiden bilden einen Schaltkreis, der die Zeit der Verbindung des
Hauptkondensators Co mit der Primärwicklung 6 kontrolliert.
Weiterhin wird ein Kreis 16, der sich aus einer Zener-Diode
und einer klassischen Diode zusammensetzt, parallel zur Primärwicklung
eingeführt,
um die Überspannung
aufgrund der bei der Öffnung
des Schaltkreises in die Selbstinduktionsspule induzierte elektromotorischen
Kraft zu begrenzen. Auf identische Weise ist eine Zener-Diode parallel
zum Transistor 11 platziert, um ihn vor einer zu starken,
an seinen Klemmen anliegenden Spannung zu schützen. Die Zener-Diode 23 wird
mit einem Widerstand 22 polarisiert, um den Transistor
zu steuern und seinen Eingang vor Überspannungen zu schützen.
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Durch
ihre Platzierung wird den Wicklungen im Transformator 5 eine
jeweils besondere Rolle zugewiesen. Erfindungsgemäß wird die
neue Wicklung 10 nicht unbedingt zwischen dem Kern 12 und
der Primärwicklung 6 hinzugefügt, da sie
nur dem Einfluss der Primärwicklung
ausgesetzt sein muss. Wie 3 zeigt,
befindet sich die zusätzliche
Wicklung 10 entfernt von der Umkehrwicklung 9 und
beeinflusst aus diesem Grund die Regelung, die sich aus dieser Umkehrwicklung 9 ergibt,
nicht, sowie sie umgekehrt dem Einfluss dieser Wicklung nicht ausgesetzt
ist.
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Nehmen
wir zum Beispiel eine Primärwicklung 6 mit
132 Windungen, eine erste Sekundärwicklung 7 mit
23 Windungen, eine zweite Sekundärwicklung 8 mit
17 Windungen, eine Umkehrwicklung mit 34 Windungen und eine zusätzliche
Bewicklung 10 mit 4 Windungen. Die 132 Windungen der Primärwicklung
sind ausreichend, um eine Abschirmung um die zusätzliche Bewicklung herum zu
erzeugen, damit diese nicht dem Einfluss der Umkehrwicklung unterliegt,
und die Anzahl der Windungen der zusätz lichen Bewicklung ist klein
im Vergleich mit der Anzahl der Primärwicklung und kostengünstig.
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5 liefert Angaben zu den
Werten der Spannungen an den Klemmen des Kondensators und am Ausgang.
Bei einer Eingangsspannung von 200 V des Gleichumrichterkreises
findet man eine Ausgangsspannung von 5 V. Das Verhältnis zwischen
den beiden Spannungen beträgt
40:1. Der Koeffizient aus der Anzahl der Windungen der zusätzlichen
Bewicklung und der Anzahl der Windungen der Primärwicklung ist vorzugsweise
1:33.
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Schließlich ist
die zusätzliche
Bewicklung sehr stark nur mit der Primärwicklung gekoppelt. Dank einer
mit der zusätzlichen
Bewicklung verbundenen Diode 13 und eines Integrationskreises
mit sehr schwacher Zeitkonstante ist die erhaltene Spannung am Ausgang
ein getreues Abbild der Spannung an der Primärwicklung und damit der Spannung
an den Klemmen des Kondensators Co. Der vom Kondensator 14 definierte
Integrationskreis, der Widerstand 15 und die Diode 13 ist
dimensioniert, um ein Filtern der Spannung zu ermöglichen
und um die Taktung der Spannung der Primärwicklung, die vom Schaltkreis
erzeugt wird, nicht zu berücksichtigen.
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In
dieser Ausführungsform
haben die in den Ausgangskreisen jeder der Wicklungen 7, 8, 10 verwendeten
Bauteile die folgenden Werte:
- Kondensator 14 = 100 nF
- Kondensator C1 = 220 μF
- Kondensator C2 = 220 μF
- Widerstand 15 = 167,3 KΩ
- Widerstand RL1 = 62 Ω
- Widerstand RL2 = 250 Ω
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Die
Werte RL1 und RL2 werden
vom Widerstand des Messkreises des Zählers genauer bestimmt.
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4 zeigt das Linearitätsverhältnis, das man
zwischen der Ausgangsspannung und der Spannung an den Klemmen des
Kondensators Co erhält. 5 zeigt die Anzeige eines Oszilloskops,
das angeschlossen wurde, um die zeitliche Entwicklung der Spannung
an den Klemmen des Kondensators Co, Kurve 17, und die der
Spannung am Ausgang, Kurve 18, zu vergleichen. Die Spannung
an den Klemmen des Kondensators Co wird von der Ausgangsspannung
versetzt reproduziert. Eine Schwankung der Spannung an den Klemmen
des Kondensators erzeugt sofort eine Schwankung der Spannung am
Ausgang. Ein Spannungsabfall in der Versorgung des Netzes wird deswegen
sofort reproduziert und am Ausgang identifiziert.