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Schaltungsanordnung zur Erzeugung von elektrischen Impulsen, insbesondere
Multivibratorschaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur
Erzeugung von elektrischen Impulsen, deren Frequenz durch eine von außen her angelegte
Regelspannung steuerbar ist, insbesondere auf eine für die Zeitbasis in Fernsehempfängern,
für Impulseinrichtungen von Fernsehsendern oder Impulsgeneratoren in Meßgeräten
verwendete Multivibrator-Schaltung in Form eines rückgekoppelten RC-Verstärkers,
deren erste Röhre eine Hexode ist. Dabei dient das System erstes Steuergitter-Schirmgitter
der Hexode als erste Stufe des Multivibrators, während als zweite Stufe eine Triode
vorgesehen ist.
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Als Impulsgeneratoren werden bekanntlich, insbesondere für die Zeitbasis
in Fernsehempfängern, Oszillatoren mit hoher Frequenzstabilität benötigt. Die Frequenz
solcher Oszillatoren soll dabei mittels einer Gleichspannung möglichst leistungslos
in weiten Grenzen steuerbar sein. Ihre Frequenzstabilität muß besonders hoch sein,
denn jede Instabilität ergibt über einen die steuernde Regelspannung liefernden
Diskriminator eine Änderung der Regelspannung, mit der die Frequenzabweichung des
Oszillators ausgeglichen werden muß. Der vorhandene Regelhub ist aber begrenzt und
muß dafür verfügbar bleiben, den Oszillator synchron mit einer von außerhalb herangeführten
Frequenz zu halten. Deshalb darf so wenig wie möglich vom Regelhub für den Ausgleich
von Frequcnzinstabilitäten des Oszillators verbraucht werden.
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Die durchweg verwendeten Oszillatoren vom Multivibratortyp weisen
jedoch den besonderen Mangel auf, daß die mit ihnen erzeugte Frequenz in nichtsynchronisiertem
Zustand verhältnismäßig unstabil ist. Unerwünschte Frequenzabweichungen rühren unter
anderem vor allem vom Altern der Röhren her und auch vom Altern anderer in diesen
Schaltungen verwendeter Bauteile, wie z. B. der Kondensatoren und Widerstände. Hinzu
kommen noch Temperatureinflüsse, Speisespannungsschwankungen und mechanische Erschütterungen,
die die Frequenzstabilität eines Multivibrator-Oszillators nachteilig beeinflussen.
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Bei neuzeitlichen Fernsehempfängern wird deshalb vielfach die Steuerspannung
für die Zeilenendröhre mit einem über eine Reaktanzröhre gesteuerten Sinus-Oszillator
erzeugt, dessen Eigenfrequenz auch in unsynchronisiertem Zustande sehr stabil ist.
Bei einem Sinus-Oszillator muß man aber mit dem für ihn erforderlichen stabilisierenden
Schwingungskreis einen im Verhältnis zum Multivibrator höheren und damit kostspieligeren
Schaltungsaufwand treiben.
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Um nun den Aufwand für derartige Generatoren herabzusetzen, verwendet
man für sie bekanntlich bereits eine Hexode, bei der das System erstes Steuergitter-Schirmgitter
als Oszillatorteil arbeitet und das System zweites Steuergitter-Anode als Reaktanzteil.
Zwar wird dadurch eine besondere Reaktanzröhre eingespart, aber es bleibt als kostspieliges
Bauteil noch die Spule für den stabilisierenden Schwingkreis, die insbesondere deshalb
relativ teuer ist, weil sie vor allem für tiefe Frequenzen relativ große Abmessungen
haben muß, so daß ihre Verwendung, vor allem in gedruckten Schaltungen, einbautechnische
Schwierigkeiten bereitet.
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Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Schaltung besteht darin, daß
sie eine verhältnismäßig hohe Regelspannung zum Steuern des zweiten Steuergitters
der Hexode benötigt, und zwar sind hierfür durchweg etwa 6 bis 10 Volt erforderlich.
An die vorangehenden Schaltungsstufen müssen deshalb sehr hohe Leistungsansprüche
gestellt werden, da die Frequenz-Phasenvergleichsschaltung für so hohe Regelspannungen
große Impulsamplituden benötigt. Auch bei einer anderen Multivibratorschaltung ist
diese Schwierigkeit vorhanden. Wollte man diesen bekannten Generator in der erforderlichen
Weise in seiner Frequenz regeln, so müßte die Spannungszuführung für seine Gitterableitwiderstände
über eine zusätzliche Verstärkerröhre erfolgen. Das würde jedoch einen erheblichen
Mehraufwand bedeuten, der nicht erwünscht ist.
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Zur Herabsetzung des schaltungstechnischen Aufwandes für Impulsgeneratoren
im Zeitbasisteil elektronischer
Geräte ist es weiterhin bekannt,
mit einer Röhre, und zwar mit einer Triode bestückte Multivibratoren, die sogenannten
Sperrschwinger, insbesondere im Bildzeitbasisteil von Fernsehempfängern zu benutzen.
Sehr nachteilig ist bei diesen Multivibratoren vor allem, daß ihre Frequenz nicht
leistungslos stabil gehalten werden kann. Dadurch wird aber die Stufe, die die erforderliche
Regelspannung erzeugt, zusätzlich belastet. Man kann zwar diese zuzätzliche Belastung
durch eine Pufferstufe zwischen Regelspannungserzeuger und Oszillator beseitigen.
Jedoch würde damit die betreffende Multivibratorschaltung dementsprechend aufwendiger,
was möglichst vermieden werden soll.
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Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine weitgehend frequenzstabile
Multivibratorschaltung hoher Regelsteilheit zu entwickeln, die unempfindlich ist
gegen Alterungserscheinungen der Schaltungselemente, gegen Röhrenwechsel, gegen
Spannungsschwankungen, Temperatureinflüsse und mechanische Erschütterungen. Dabei
soll sie möglichst einfach und billig herzustellen und ebenfalls für gedruckte Schaltungen
mit Vorteil verwendbar sein.
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Diese Aufgabe ist für einen Multivibrator mit Hexode erfindungsgemäß
dadurch gelöst worden, daß das System zweites Steuergitter-Anode als Gleichspannungsverstärker
für die Regelspannung zur Frequenzänderung benutzt wird und die Gitterableitwiderstände
der in der Hexode befindlichen ersten Multivibratorstufe und der zweiten außerhalb
der Hexode liegenden Röhrenstufe des Multivibrators, d. h. der Triode, an das Anodenpotential
des in der Hexode befindlichen Gleichspannungsverstärkers gelegt sind. Bei der Multivibratorschaltung
gemäß der Erfindung erfolgt also die Rückkopplung auf die Triodenstufe des Multivibrators
vom Schirmgitter der Hexode aus und nicht, wie bei einer der bekannten Schaltungen,
von der Anode der Hexode aus. Dadurch wird zweierlei erreicht. Es wird nämlich in
einer der Multivibratorstufen selbst die Regelspannung gleich so verstärkt, daß
sie jederzeit ausreichend ist, um die erforderliche Frequenzstabilität zu erhalten,
ohne dabei die vor dem Multivibrator liegenden Schaltungsstufen durch Abnahme einer
höheren Regelspannung zusätzlich zu belasten. Außerdem wird der Schaltungsaufwand
spürbar vermindert, weil der in bekannten Schaltungen zur Erhaltung der Frequenzstabilität
sonst benötigte Schwingkreis mit seiner relativ großen teuren Spule eingespart wird.
Damit ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch in der Technik der gedruckten
Schaltungen leichter aufzubauen.
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Eine vorteihafte Weiterentwicklung des Erfindungsgegenstandes besteht
darin, daß nur ein Gitterableitwiderstand einer Multivibratorstufe, vorzugsweise
derjenige des Steuergitters der zweiten Stufe, d. h. der Triode, an das Anodenpotential
des Gleichspannungsverstärkers in der Hexode gelegt ist. Das hat den besonderen
Vorteil, daß die Anode der Hexode nicht mit dem Gitterstrom ihres eigenen Steuergitters
belastet wird. Um die Möglichkeit zu haben, die Frequenz einzustellen, ist ferner
einer der beiden Gitterableitwiderstände zweckmäßigerweise ganz oder teilweise einstellbar
veränderlich ausge- i bildet. Man kann aber auch, gemäß einer anderen vorteilhaften
Ausbildung des Erfindungsgegenstandes, zum Frequenzabgleich des Multivibrators den
Außenwiderstand des Gleichspannungsverstärkersystems, den Kathodenwiderstand oder
auch einen der beiden Gitterkondensatoren einstellbar veränderlich ausbilden.
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Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend an Hand eines gezeichneten
Ausführungsbeispiels einer entsprechend aufgebauten Multivibratorschaltung sowie
von schematisch dargestellten Oszillogrammen näher beschrieben.
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In F i g. I ist eine bekannte Generatorschaltung mit einer Hexode
1 als erster Stufe und einer Triode 2 als zweiter Stufe dargestellt, die zur Frequenzstabilisierung
einen Schwingkreis 3 enthält. Diesen Stabilisierungskreis 3 mit seiner aufwendigen
Spule spart man mit der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ein, die in Ausführungsbeispielen
in F i g. 2 und 3 dargestellt ist.
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Es ist in F i g. 2, genau so wie in F i g. 3, die erste Stufe des
Multivibrators in bekannter Weise das System erstes Steuergitter-Schirmgitter einer
Hexode 4 mit dem Schirmgitteraußenwiderstand 6
und die zweite Stufe
eine Triode 5 mit dem Außenwiderstand 7. Der dargestellte Multivibrator ist in bekannter
Art und Weise als rückgekoppelter RC-Verstärker geschaltet mit den beiden Koppelkondensatoren
8 und 9 und den Gitterableitwiderständen 10 und 11. Die Zeit der Umladung der Koppelkondensatoren
8 und 9 auf das Steuergitter der Hexode 4 und das Steuergitter
der Triode 5 bestimmt die Frequenz des Multivibrators. Die Umladezeit hängt ihrerseits
von der Größe der Gitterableitwiderstände 10 und 11 ab und dem an sie gelegten Potential
sowie der Größe der Gitterkondensatoren 8 und 9. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform
nach F i g. 2 werden die beiden Gitterableitwiderstände 10 und
11 an das Anodenpotential des als Gleichspannungsverstärker geschalteten
Systems zweites Steuergitter-Anode der Hexode 4 gelegt. Durch Verändern der
am zweiten Steuergitter (G.,) stehenden Regelspannung wird der Anodenstrom des Gleichspannungsverstärkers
geändert. Ist die herangeführte Regelspannung positiv, so fließt ein großer Anodenstrom
und die Anodenspannung sinkt ab. Ist die Regelspannung dagegen negativ, so wird
das Anodensystem des Gleichspannungsverstärkers mehr oder weniger gesperrt. Es fließt
weniger Anodenstrom und die Spannung an der Anode nähert sich in ihrer Größe mehr
oder weniger dem von außen angelegten Pluspotential.
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Im ersteren Falle wäre die Umladespannung für die Gitterableitwiderstände
klein und demnach die Frequenz des Multivibrators niedrig. Im zweiten Falle ist
die Umladespannung hoch und die Frequenz des Multivibrators deshalb ebenfalls hoch.
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Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist zur Entlastung der Anode
der Hexode 4 vom Gitterstrom des Steuergitters (G1), dessen Ableitwiderstand
10 an das Pluspotential gelegt und nur der Ableitwiderstand des Steuergitters
der zweiten Multivibratorstufe, der Triode 5, liegt am Anodenpotential der Hexode
4. Dazu ist hier noch ein veränderbarer Gitterableitwiderstand 11 a zum Frequenzabgleich
angeordnet. Es kann aber hierfür auch der Anodenwiderstand 12 im Anodenkreis
der Hexode 4 oder ihr Kathodenwiderstand 13 oder auch einer der Gitterkondensatoren
8 und 9 veränderbar ausgebildet sein.
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Wenn es für bestimmte Fälle zweckmäßiger sein sollte, kann man durch
geeignete Schaltungsmaßnahmen erreichen, daß beide Systeme der Hexode
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in ihrer Funktion umgekehrt werden, d. h. daß das System
zweites Steuergitter-Anode der Hexode 4 zur Multivibratorstufe wird und das System
erstes Steuergitter-Schirmgitter zum Gleichspannungsverstärker.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Multivibrators ist aus den
in F i g. 4 dargestellten, idealisierten Oszillogrammen a) bis f) ersichtlich, in
denen die Spannungen aufgezeichnet sind, die an den einzelnen Elektroden auftreten.
Die F i g. 4 a, 4 b, 4 c und 4 d zeigen die bekannten Spannungs-Oszillogramme eines
Multivibrators. Die Oszillogramme 4 e und 4 f betreffen die eigentliche Erfindung.
F i g. 4 f zeigt die Regelspannung, die Spannung also, welche die Frequenzänderung
des Multivibrators bewirkt. Sie ist beispielsweise in dem Zeitraum t,-t. konstant
und etwas negativ angenommen. Im Zeitpunkt t6 ändert sie sprunghaft ihren Wert in
negativer Richtung und soll zwischen t6 und tio wieder als konstant angenommen werden.
F i g. 4 e zeigt die Spannung an der Anode der Hexode 4.
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Für die Zeit t,-t. ist die Röhre gesperrt, und zwar durch die negative
Spannung am Gitter 1 der Hexode 4. Während dieser Zeit ist der Anodenstrom also
Null und somit erfolgt kein Spannungsabfall am Anodenwiderstand 12. Die Anodenspannung
hat dann den vollen Wert der Batteriespannung. Im Zeitpunkt t2 wird die Röhre 4
geöffnet und es fließt dann Strom, der einen Spannungsabfall am Anodenwiderstand
12 erzeugt. Die Spannung sinkt dadurch auf etwa den halben Betriebsspannungswert
(s. F i g. 4 e). Die Größe dieses Spannungsabfalles hängt in erster Linie von der
Schirmgitterspannung der Hexode 4 zu diesem Zeitpunkt und der Spannung am zweiten
Steuergitter der Hexode 4 ab. Zum Zeitpunkt t3 wird die Röhre 4 vom Gitter 1 her
wieder gesperrt. Die Anodenspannung erreicht dann ihren vollen Betriebsspannungswert.
Zum Zeitpunkt t4 wird die Röhre 4 wieder geöffnet und so fort.
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Vom Zeitpunkt to an ändert sich die Spannung an Gitter 2. Sie wird
negativer, demzufolge wird während der Öffnungszeiten der Hexode der Strom in der
Anode nicht mehr so groß sein. Der Spannungsabfall an dem Anodenwiderstand wird
wie in F i g. 4 e dargestellt, also kleiner werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind nun die Gitterableitwiderstände 10 und 11 an die Anode der Hexode
4 gelegt. Die Wirkung dieser Anordnung ist aus F i g. 4 a zu erkennen. Hier ist
der Spannungsverlauf am Steuergitter (G3) der Triode 5 gezeichnet. In der Zeit t,
-t. liegt dieses Gitter auf Null. Es fließt über den Gitterableitwiderstand 11 ein
Strom in das Gitter hinein. Wegen der Niederohmigkeit der Gitterkathodenstrecke
und der Hochohrnigkeit des Gitterableitwiderstandes 11 ist die Spannung während
dieser Zeit praktisch Null und sehr wenig abhängig von den übrigen Betriebsspannungen.
Zum Zeitpunkt t2 wird das Gitter G3 gemäß F i g. 4 a, von Null auf eine negative
Spannung gebracht. Während der nachfolgenden Zeit fließt kein Gitterstrom, sondern
der Gitterableitwiderstand 11 wird durch die Anodenspannung der Hexode 4 Strom auf
den Gitterkoppelkondensator 9 leiten. Von der Größe dieses Stromes hängt der Kurvenverlauf
während der Zeit t2 t3 ab. Je größer der Strom ist, d. h. je höher während dieser
Zeit die Spannung UA2 ist, um so steiler wird die Kurve verlaufen. Es ist ersichtlich,
daß während der Zeit t7 t8 infolge einer höheren Spannung UA2 die Entladung schneller
vor sich geht als während der Zeit t2-t 3 bzw. t4 t5. Damit ändert sich aber
auch die Periodendauer der Muitivibratorschwingung, die zwischen dem Zeitpunkt t2-t4
gemessen mit T1, zwischen dem Zeitpunkt t7-t9 gemessen mit TZ bezeichnet ist.
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T1 ist größer als T2. Der kleine Spannungssprung in F i g. 4 f verursacht
also in F i g. 4 a eine höhere Frequenz des Multivibrators.
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Durch die erfindungsgemäße Verbindung der Gitterableitwiderstände
10, 11 mit der Anode der Hexode 4 wird nicht nur erreicht, daß der Multivibrator
in seiner Frequenz leistungslos vom zweiten Hexodengitter (G2) gesteuert werden
kann. Es wird auch eine beachtliche Kompensation verschiedener, die Frequenz des
Multivibrators unerwünscht ändernder Einflüsse bewirkt, und das geschieht in folgender
Weise: Zum Zeitpunkt t2 , erhält, in F i g. 4 a dargestellt, das Gitter der Triode
5 (G3) einen Spannungssprung, der in seiner Amplitude dem Spannungssprung am Schirmgitter
der Hexode 4 entspricht. Das Gitter G3 . wird dadurch gesperrt und entlädt sich
über den Gitterableitwiderstand 11 auf die Spannung UA 2. Wenn die Spannung am Gitter
G3 nahezu den Wert Null erreicht hat, siehe Zeitpunkt t3, wird die Röhre 5 geöffnet,
wodurch die erste Multivibratorröhre, die Hexode 4, gesperrt wird, an deren
Gitter G1 jetzt dieselben Verhältnisse eintreten wie am Gitter G3 der Triode 5.
Ändert sich die Betriebsspannung beispielsweise auf das Doppelte des früheren Wertes,
so würde der Spannungssprung am Schirmgitter der Hexode 4 annähernd doppelt so groß
werden und somit würde das Gitter G3 um den doppelten Betrag gesperrt werden wie
vorher. Da sich gleichzeitig mit dieser Betriebsspannungsänderung aber auch die
Spannung UA2 an der Anode der Hexode 4 um annähernd den doppelten Wert geändert
hat, erfolgt die Entladung des Gitterkondensators 9 mit wesentlich größerer Geschwindigkeit,
und es läßt sich mathematisch zeigen, daß das Potential Null zur selben Zeit erreicht
wird wie vorher. Der doppelte Spannungssprung zum Zeitpunkt t2, zusammen mit der
doppelten Anodenspannung an der Hexode 4 bewirken also, daß die Entladedauer t2
t3 konstant bleibt. Durch diese Kompensation wird erreicht, daß die Frequenzunabhängigkeit
eines Multivibrators von Anodenspannungsänderungen zumindest genau so sicher ist
wie bei einem Sinusoszillator.
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Die Kompensation der Röhrenalterung geschieht auf folgende Weise:
Wird durch Alterung der Röhren der Schirmgitterstrom der Hexode 4 kleiner, so wird
der Spannungsabfall am Schirmgitterwiderstand 6 geringer werden. Die Röhre würde
während der geöffneten Periode mit höherer Schirmgitterspannung laufen. Infolge
Stromverteilung zwischen Schirmgitter und Anode wird durch die höhere Schirmgitterspannung
der Anodenstrom relativ größer werden. Die Spannung an der Anode der Hexode 4 wird
kleiner werden und die Entladung des Gitters G3 wird nicht mehr so schnell vor sich
gehen wie vorher. Da die Entladung am Gitter G3 infolge des kleineren Spannungssprungs
am Schirmgitter, der über den Koppelkondensator 9 auf das Gitter G3 übertragen wird,
von einem weniger negativen Potential aus erfolgt, tritt in der Weise eine Kompensation
ein, daß sich der kleinere Schirmgitterspannungssprung zusammen mit dem kleinen
Potential
an der Anode der Hexode, zu dem sich die Gitterkondensatoren 8, 9 über die Gitterableitwiderstände
10, 11 aufladen, gerade aufhebt und über die Zeit t2 -t" konstant bleibt. Die Güte
dieser Kompensation hängt von dem Verhältnis des Hexodenwiderstandes 12 zum Schirmgitterwiderstand
6 ab. Die richtige Dimensionierung kann experimentell erprobt werden, in der Weise,
daß Röhren verschiedener Güte nacheinander mit der gleichen Schaltung in Betrieb
genommen werden und die Widerstände so lange variiert werden, bis diese verschiedenen
Röhren dieselbe Multivibratorfrequenz ergeben. Da dieser Kompensationseffekt nur
für die Hexode 4
gilt, nicht aber für die Triode 5, muß der Einfluß des elektrischen
Zustandes der Triode 5 auf die Frequenz durch andere Maßnahmen beseitigt werden.
Die einfachste Methode ist die, den Triodenwiderstand 7 so groß wie möglich zu machen,
so daß während der geöffneten Periode der Triode die Spannung an der Anode nahezu
Null wird.
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Ist bei einer Betriebsspannung von 200 Volt die Restspannung der Triode
im geöffneten Zustand beispielsweise 20 Volt wie in F i g. 4 b angedeutet, so würde
bei einer Emissionsänderung der Triode von 2: 1 die Restspannung beispielsweise
von 20 auf 40 Volt ansteigen. Das macht für den Spannungssprung von 200 Volt auf
20 Volt bzw. 40 Volt aber im Verhältnis wenig aus, denn der absolute Spannungssprung
wäre dann 180 Volt bzw. 160 Volt.
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Da die Frequenz des Multivibrators von der Umladezeit der Gitterkondensatoren
über die Gitterableitwiderstände abhängt, so muß ein Temperatureinfluß, der die
elektrischen Werte dieser Elemente verändert, auch auf die Frequenz eingehen. Zur
Temperaturkompensation ist es deshalb notwendig, die Temperaturkoeffizienten der
Widerstände und Kondensatoren soweit wie möglich aufeinander abzustimmen, d. h.,
es muß beispielsweise ein negativer Temperaturkoeffizient eines Widerstandes mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten eines Kondensators kompensiert werden.