DE2017285A1 - Sperrfilter mit einer Anzahl von nwahlbar anschaltbaren parallelen kapazi tiven Zweigen - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DH. MÖLLER-BOR^ - DR. MANITZ ■ DR. DEUFEL

DIPL-ING. FINSTERVVALD · DIPL-ING. GRÄMKOW

β MÖNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STH. 1

TELEFON 225110

10. April 1970 E 2031 - Kl/kl

IHE MAROCNI COMPACT LIMITED,

a British Company, of Bush House, Aldwych

L ONDO N V. C. 2 England.

Sperrfilter mit einer Anzahl von η wählbar anschaltbaren parallelen kapazitiven Zweigen .

Die Erfindung betrifft Filternetzwerke, insbesondere Sperrfilternetzwerke mit η Zweigen. Die Erfindung ist nachfolgend in Zusammenhang mit den Zeichnungen "beschrieben.

Figur 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines typischen bekannten Sperrfilternetzwerkes mit η. Zweigen. '" ■ '

Die ¥igiiren 2-6 zeigen erläuternde Diagramme 2u der Schaltung nach !Figur 1. .

Die I'iguren 7-12. sind erläuternde Diagraame zu erfindungsgemäßen Sperrfilternetzwerken mit η Zweigen.

Figur 13 zeigt ein scheaatisch.es Schaltbild einer Abwandlung eines erfindungsgemäßen Sperrfilters mit η Zweigen und

die i'iguren 14, 15 und 16 sind darauf bezogene erläuternde

Diagramme. .

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Figur 17 erläutert eine weitere Abwandlung.

Figur 18 ist ein schematisches Schaltbild einer weiteren Abwandlung eines erfindungsgetnäßen Sperrfilters mit η Zweigen und

Figur 19 ist ein darauf bezogenes erläuterndes Diagramm.

Das in Figur 1 dargestellte Sperrfilternetzwerk mit η Zweigen besteht aus einer Anzahl von η Kondensatoren 1, 2, 3 und 4, die jeweils in Reihe mit einem Schalter 5, 6, 7 bzw. 8 liegen, um so η wählbar anschaltbare kapazitive Zweige auszubilden, die pak rallel zueinander in einem Zweig des Netzwerkes zwischen den Eingangsklemmen 9 und 10 und den Ausgangsklemmen 11 und 12 liegen. Jeder Kondensator 1, 2, 3 oder 4 kann durch Schließen des entsprechend zugeordneten Schalters 5, 6, 7 oder 8 mit einem gemeinsamen iViderstand 13 verbunden werden, um so ein RC-Filter auszubilden. Zwischen deai so gebildeten RC-Filter und der Ausgangsklenune 11 liegt ein Tiefpaßfilter 14, das den vorhergehenden Schaltkreis nicht wesentlich belastet.

Die Schalter 5, 6, 7 und 8 werden durch nicht dargestellte iviittel abwechselnd aufeinanderfolgend geschlossen, wobei der Schalter 6 geschlossen wird, wenn der Schalter 5 öffnet, Schalter 7 schließt, wenn Schalter 6 öffnet ... usw.. Anders ausgedrückt, P ist jeder Schalter während einer Zeitdauer, die gleich ■=· der Periode einer vollständigen Schaltfolge ist, geöffnet, wobei η die Anzahl der anschaltbaren kapazitiven Zweige ist. Dies ist aus Figur 2 ersichtlich, in der die von der Grundlinie S 5 ausgehenden Rechtecke die Zeiten darstellien, in denen der in Figur dargestSllten Schalter 5 geschlossen ist. Die von der Grundlinie S 6 ausgehenden Rechtecke zeigen die Zeiten an, in denen der Schalter 6 gemäß Figur 1 geschlossen ist. Die von der Grundlinie S 7 ausgehenden Rechtecke stellen die Zeiten dar, in denen Schalter 7 gemäß Figur 1 geschlossen ist und die von der Grundlinie S ausgehenden Rechtecke zeigen die Zeiten an, in denen der Schalter gemäß Figur 1 geschlossen ist. ilTird ein sinusförmiges Eingangs-

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signal wie in Figur 3 dargestellt, dessen Periode 8 T beträgt, wobei 4 T (s. Fig. 2) die Periode einer vollständigen Schaltfolge der Schalter 5, 6, 7 und 8 ist, den Eingangsklemmen 9 und gemäß Figur 1 zugeführt, so tastet der Schalter 5 die Anteile des sinusförmigen tfellenzuges, die in Figur 3 shraffiert dargestellt sind und die Dauer T haben, ab. Schalter 6 tastet die folgenden Anteile des VVellenzuges mit der Dauer T ab, usw. . Es ist offenbar, daß sich in den Kondensatoren keine Ladung ansammelt und die gesamte sinusförmige Welle als Ausgangssignal am Widerstand 13 auftritt.

Wird, wie in Figur 4 dargestellt, ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Periode 4 T dem Eingang zugeführt, so wird jedem Kondensator bei jeder Abtastung eine nach Größe und Vorzeichen gleiche Spannung zugeführt, so daß er sich auf den Mittelwert des sinusförmigen Eingangssignals während der Zeit, in der der zugeordnete Schalter geschlossen ist, aufladet. Das am ,Yider stand 13 anstehende Ausgangssignal ist daher verringert. Figur 5 zeigt das Ausgangssignal am Widerstand 13 unter diesen Bedingungen, wenn Schaltor 5 geschlossen ist. Die gesamte Filterkurve zeigt eine Reihe von Einkerbungen, wie in Figur 6 dargestellt, die bei der Frequenz Null und bei Harmonischen der Frequenz ^-ψ auftreten. Die Filterkurve des durch jeden der η-Zweige gebildeten RC-FiIt er s wird zu beiden Seiten der mittleren Antiresonanzfrequenzen wiedergegeben. Der Einfluß des Tiefpaßfilters ist gestrichelt eingezeichnet.Die Bandbreite der Einkerbung bei 3 dBDämpfung beträgt

Mit Ausnahme der Frequenz Null, bei der die Tiefe der Einkerbung unendlich ist, ist die Einkerbungstiefe begrenzt, da sich bei der Syuchronfrequenz -τ—ψ iiiimernoch ein beträchtliches Ausgangssignal ergibt.

Die Erfindung zielt darauf ab, bessere Sperrfilterschaltungen mit η-Zweigen zu schaffen, die eine grö.ere Linkerbungstiefe aufweisen.

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Gemäß der Erfindung enthält ein Sperrfilter mit einer Anzahl von η wählbar anschaltbaren parallelen kapazitiven Zweigen und ,Mitteln für die aufeinanderfolgende und wiederholte Anwahl dieser Zweige Mittel für die Anwahl jedes Zweiges während einer Zeitdauer, die kleiner ist als — de:
Schaltfolge aller genannten Zweige.

Zeitdauer, die kleiner ist als — der Periode eintr vollständigen

Das durch die Erfindung erzielte wesentliche Ergebnis besteht darin, daß während der Schaltfolgeperiode Zeiten auftreten, in denen keiner der Zweige in der Schaltung liegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jeder _k Zweig für eine Zeitdauer angewählt, die gleich 7—— der Dauer ™ einer vollständigen Schaltfolge aller genannten Zweige ist.

Vorzugsweise weist das Sperrfilter Abtast- und Haltemittel auf, die so geschaltet und angeordnet sind, daß sie den Pegel des Ausgangssignals eines gewählten Zweiges während der Periode, die dem Abschalten dieses Zweiges folgt und in der keiner der Zweige angewählt ist, im wesentlichen aufrecht erhält.

Vorzugsweise liegen die Abtast- und Haltemittel zwischen einem gemeinsamen NebenschluSwiderstand am Ausgang der genannten Zweige und einem weiteren Tiefpaßfilter, über welches das Ausgangssignal des Sperrfilters geführt wird.

Vorzugsweise bestehen die Abtast- und Haltemittel aus einem in Reihe geschalteten Schalter, der im geschlossenen Zustand die Ausgangssignale der Zweige einem Kondensator zuführt und diesen damit aufladet, wobei dieser in Reihe liegende ,Schalter so gesteuert wird, daß er während der Schließzeiten, in denen einer der Zweige angeschaltet ist, geschlossen ist, und in Zeiten, in denen keiner der genannten Zweige angeschaltet ist, öffnet.

.Wiederum vorzugsweise ist die Steuerung des in Reihe geschalteten Schalters der^-Art, daß er nach Anschalten eines der Zweige mit

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einer kurzen Verzögerung schließt. Diese kurze Verzögerung kann geeigneterweise ein Viertel der Zeitperiode, während der der Zweig angesehaltet ist, betragen.

/felter vorzugsweise ist die Steuerung des in Reihe geschalteten Schalters der Art, daß er nälierungsweise in der Mitte der Zeitdauer, während der ein Zweig angeschaltet ist, öffnet. Es sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, um die Öffnungszeit des genannten in Reihe geschalteten Schalters einstellen zu können.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Sperrfilter mit Äbtast- und Haltemitteln ausgestattet, die in der Schaltung vor der Mehrzahl von wählbar anschaltbaren parallelen· kapazitiven Zweigen liegen und so angeordnet sind, daß sie eine Eingangswellenform vor Anwahl eines Sperrfilterzweiges abtasten und den Pegel des Abtastwertes während der Periode, in der der Zweig angewählt ist, im wesentlichen halten.

Vorzugsweise sind die letztgenannten Abtast- und Haltemittel so ausgelegt, daß sie die Eingangswellenformen während jeder Periode, in der keiner der Zweige angewählt ist, abtasten und den Pegel der Äbtastwerte zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen im wesentlichen einhalten.

Ebenfalls vorzugsweise enthalten die letztgenannten Abtast- und Haltemittel einen in Reihe geschalteten Schalter, der im geschlossenen Zustand die Eingangswellenform einem parallel geschalteten Kondensator zuführt und diesen damit aufladet. Der Kondensator ist so geschaltet, daß die an ihm anliegenden Spannungen den Zweigen des Sperrfilters zugeführt werden.

•Unter Bezugnahme auf die Figuren 7 - 17, die die Erfindung erläutern, zeigt die Theorie, daß die Arbeitsweise eines Sperrfilters mit η Zweigen lediglich wie in Zusammenhang mit den Figuren 1-6 beschrieben für Eingangsfrequenzen von bis zu gilt. Um die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen

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der Erfindung besser verstehen zu können, wird ein Sperrfilternetzwerk mit 4 Zweigen angenommen. Die Erläuterung betrifft lediglich die Einkerbungen bei den Frequenzen Null und τ^φ·

■nie bereits erwähnt, ist die Einkerbung bei der Frequenz Null unendlich tief. Bei den nachfolgend beschriebenen Ausfiihrungsformen der Erfindung wird in allen Fällen darauf abgezielt, die

-t
Sinkerbungstiefe bei der Frequenz ~ψ zu erhöhen.

Gemäß der Erfindung sind die Schalter 5, 6,7 und 8 eines Sperrfilters, das, rein als Schaltkreis betrachtet, dem gemäß Figur 1 »gleicht, jeweils geschlossen (d.h. leitend) während einer Periode, die kleiner ist als jj der gesamten Schaltfolgeperiode (4 T in Figur 2), wobei η die Anzahl der Zweige, im vorliegenden Fall 4, ist. Anders ausgedrückt, sind die Schalter 5,6,7 und 8 gemäß Figur 1 durch (nicht dargestellte) Mittel der Art gesteuert, daß, im Gegensatz zu einem bekannten Sperrfilter wie vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 1 - 6 beschrieben, alle Schalter während Teilen der auf das Schließen eines der Schalter folgenden Periode gleichzeitig geöffnet (d.h. nicht leitend) sind. Im beschriebenen Beispiel ist jeder Schalter während einer Periode von jg- (d.h.^=— ) der gesamten Schaltfolgeperiode geschlossen. Dies ist in Figur 7 dargestellt, die, wie Figur 2, Grundlinien 35, 36, S7 und 38 zeigt, und in der die von den Grund- P linien ausgehenden Rechtecke die Zeiten repräsentieren, während denen die Schalter 5, 6, 7 und 8 geschlossen sind. Die zugeordnete Abtastung einer sinusförmigen Eingangswelle mit der Periode 4 T durch alle Schalter ist in Figur 8 dargestellt, während die am Widerstand 13 anstehenden Ausgangssignale, die von dem Eingangssignal mit der Periode 4 T stammen, in Figur 9 dargestellt sind. Dies entspricht dem Sperrbereich. Die entsprechende Abtastung eines sinusförmigen Eingangssignals mit der Periode 8 T durch alle Schalter ist in Figur 10 dargestellt, während das Ausgangssignal, das von dieser Welle mit der Periode 8 T am Widerstand 13 abgeleitet wird, in Figur 11 dargestellt ist. Dieses entspricht dem Durchlaßbereich» Figur 12 zeigt die Gesamt-Filter-

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kurve.Auch hier ist der Einfluß des Tiefpaßfilters 14 gestrichelt dargestellt.

Es erübrigt sich,die Mittel zur Steuerung der Schalter genauer zu beschreiben,da derartige Mittel von beliebiger geeigneter Form sein können,die sich für den Fachmann ergibt.

Das Ausgangssignal (am Eingang des Tiefpaßfilters) des in Zusammenhang mit den Figuren 7-12 beschriebenen Sperrfilters besteht aus einer Folge schmaler Impulse innerhalb des Durchlaßbereichs. Diese schmalen Impulse ergeben nach Ausfilterung das gedämpfte Eingangssignal.

Bei der in Figur 13 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung kann am Ausgang ein größerer Anteil des Eingangssignalwertes erhalten werden. Die in Figur 13 dargestellte Schaltung gleicht im allgemeinen der zuvor in Zusammenhang mit den Figuren

7 -12 beschriebenen,jedoch ist zusätzlich eine Abtast- und Pegelhaltungsschaltung vorgesehen,die vor dem Eingang des Tiefpaßfilters

14 angeordnet ist, und aus einem Schalter 15,einem Kondensator 16 und einer Trennstufe 17 besteht. Diese Abtast-und Halteschaltung dient dazu,den Pegel eines dem Widerstand 13 zugeführten Impulses im wesentlichen konstant zu halten,während die Schalter 5,6,7 und

8 geöffnet sind. Figur 14 erläutert die Arbeitsweise des Schalters 15. Wie in Figur 7 repräsentieren die von den Grundlinien S5,S6, S7,S8 und S15 ausgehenden Rechtecke in Figur 14 die Schließzeiten der Schalter 5,6,7,8 und 15.

Bei geschlossenem Schalter 15 ladet sich der Kondensator 16schnell auf den Pegel des Signalimpulses auf. Dieser Pegel wird während der Öffnungszeit des Schalters 15 gehalten«

Figur 15 zeigt eine typische Wellenform eines Signals im Durchlaßbereich für eine Periode T,die auf das Schließen des Schalters

15 folgt. Die Periode T. ist die Zeit,während der der Schalter, 15

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geschlossen ist und der Kondensator 16 sich aufladet. Die Periode T₂ ist die Zeit,während der der Schalter 15 geöffnet ist und der Signalpegel durch den Kondensator 16 gehalten wird.

Figur 16 zeigt eine typische Wellenform eines Signals im Sperrbereich für eine Periode T,die dem Schließen des Schalters 15 folgt. Wieder ist die Periode T. die Zelt,während der der Schalter 15 geschlossen ist und die Periode T. ist die Zeit,während der der Schalter 15 geöffnet ist. Für eine Abtastung mit einer Breite T. ,die wesentlich kleiner ist als T,verläuft die Linie AB in Figur 16 näherungsweise linear und P,der Punkt mit dem Ausgangssignal Null,wird der Mittelpunkt. #ird,wie in Figur 17 dargestellt, der Schalter 15 so gesteuert,daß er für eine kurze Zeit am oder um den Punkt P herum schließt,so ist die Sperrbereichsdämpfung verbessert,während die Durchlaßbereichseigenschaften im wesentlichen unverändert erhalten bleiben.

Die Verwendung der Abtast-und Halteschaltung 15,16 wie beschrieben vereinfacht auch außerdem die Aufgabe des Tiefpaßfilters 14,das Ausgangssignal zu glätten,da,wie leicht zu ersehen,das so gelieferte Ausgangssignal dem abschließend gewünschten Ausgangssignal viel stärker angenähert ist als ein Ausgangssignal,das aus einer Folge relativ kurzer Impulse besteht.

Auch hier können die (nicht dargestellten) Mittel zur Steuerung des Schalters 15 eine beliebige Anzahl ansich bekannter geeigneter Formen haben.

Die Mittel zur Steuerung des üffnens und ächließens des Schalters 15 können so beschaffen sein, daß der Punkt P, d.h. die Zeit, zu der der Schalter 15 öffnet, einstellbar ist, um so die maximale Dämpfung im Mittelpunkt der Einkerbung oder bei einer benachbarten Frequenz zu erzielen.

Zwei Möglichkeiten, um dies zu erzielen, bestehen darin, eine einstellbare Verzögerung vor dem Schließen des Schalters 15 vorzusehen und Mittel für die Einstellung der Zeitdauer des

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Signals, welches den Schalter 15 steuert, vorzusehen. Der praktische Einsatz dieses Merkmals der Erfindung liegt i«n Bereich des technischen Fachwissens und eine genauere Beschreibung ist daher nicht erforderlich.

Die Filterschaltung nach Figur 18 entspricht im allgemeinen der in Zusammenhang mit den Figuren 7 - 12 beschriebenen, wobei zusätzlich vor dem Sperrfilter eine Abtast- und Pegelhaltungsschaltung aus einem Schalter 18 und einem Kondensator 19 vorgesehen ist. Eine Trennstufe 20 liegt zwischen der Abtast- und Halteschaltung 18, 19 und dem Sperrfilter mit η Zweigen. Die Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 18 ist in Zusammen- , hang mit Figur 19 beschrieben. Dabei zeigt

(a) ein sinusförmiges Eingangssignal mit der Frequenz f =

(b) die Schließzeiten des Schalters 18 in Form von Rechtecken, die von der Grundlinie 318 ausgehen.

(c) Die Ladung des Kondensators 19 als Ergebnis der Abtastungen des Eingangssignals (a) durch den Schalter 18 und

(d) die Schließzeiten der Schalter 5., 6, 7 und 8 in Form von Rechtecken, die von den Grundlinien 35, S6, 37 bzw. 38 ausgehen.

Schalter 18 tastet das Eingangssignal während kurzer Perioden ab und die anliegende Spannung wird von dem Kondensator 19 gehalten, was zu einer Spannungssignalform mit den wesentlichen flachen Dächern führt, die von den Schaltern 5, 6, 7 und β abgetastet wird. Die Schalter 5, 6, 7 und 8 arbeiten synchron, um die Abtastung in den Perioden vorzunehmen, in denen der Schalter 18 geöffnet ist, d.h. während der ebenen Anteile der Spannungssignalform (c)#. Bs kann daher keine merkliche Änderung der Eingangsspannung auftreten j während die Abtastung durch einen der Schalter 5, 6, 7 oder 8 erfolgt. Bei oder nahe der Frequenz f =* -j-ψ

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wird der iMittelwert des Eingangssignals während der Abtastung durch die Schalter 5,6,7 und 8 abgebaut und der Anteil des Eingangssignals, der das Tiefpaßfilter 14 durchläuft, wird verringert, was zu einer weiteren Vergrößerung der ßinkerbungstiefe

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Claims (12)

1. Patentansp r ii c h e

   I.·) Sperrfilter mit einer Anzahl von n wählbar anschaltbaren parallelen kapazitiven Zweigen und Mitteln für die aufeinander folgende und wiederholte Anwahl dieser Zweige, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel so beschaffen sind, daß jeder Zweig während einer Zeitdauer, die kleiner ist als - der Periode einer vollständigen Schaltfolge aller genannten Zweige, angewählt wird.
2. 2. Filter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zweig für eine Zeitdauer, die gleich ^- der Dauer einer vollständigen Schaltfolge aller genannten Zweige ist, angewählt wird.
3. 3. Sperrfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abtast- und Haltemittel vorgesehen sind, die so geschaltet und angeordnet sind, daß sie den Pegel des Ausgangssignals eines gewählten Zweiges während der Periode,die dem Abschalten dieses Zweiges folgt und in der keiner der Zweige angewählt ist, im wesentlichen aufrecht erhält.
4. 4. Sperrfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Haltemittel zwischen einem gemeinsamen Nebenschlußwiderstand am Ausgang der genannten Zweige und einem Tiefpaßfilter, über das das Ausgangssignal des Sperrfilters geführt wird, angeordnet sind.
5. 5. Sperrfilter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Haltemittel aus einem in Reihe geschalteten Schalter bestehen, der im geschlossenen Zustand die Ausgangssignale der Zweige einem Kondensator zuführt und diesen damit aufladet, wobei dieser in Reihe liegende Schalter so gesteuert wird, daß er während der Schließzeiten, in denen einer der Zweige angeschaltet ist, geschlossen ist und in den Zeiten, in denen keiner der genannten Zweige angeschaltet ist, geöffnet ist.

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6. 6. Sperrfilter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Steuerung des in Reihe geschalteten Schalters, bei der dieser nach Anwahl eines der Zweige mit einer kurzen Verzögerung schließt.
7. 7. Sperrfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung im wesentlichen ein Viertel der Zeit, während der der Zweig angeschaltet ist, beträgt.
8. 8. Sperrfilter nad Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Steuerung des in Reihe geschalteten Schalters, bei der dieser näherungsweise in der Mitte der Zeitperiode, während der ein Zweig angeschaltet ist, öffnet.
9. 9. Sperrfilter nach einen der Ansprüche 5 - ö, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Einstellung der Öffnungszeit des in Reihe geschalteten Schalters vorgesehen sind.
10. IC Sperrfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abtast- und Haltemittel vorgesehen sind, die in der Schaltung vor der Mehrzahl von wählbar anschaltbaren parallelen kapazitiven Zweigen liegen und so angeordnet sind, daß sie eine üingangswellenfortn vor Anwahl eines Sperrfilterzweiges abtasten und den Pegel des Abtastwertes während der Periode, in der der Zweig angewählt ist, im wesentlichen halten.
11. 11. Sperrfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Haltemittel so beschaffen sind, daß sie die Eingangswellenformen während jeder Periode,, in der keiner der Zweige angewählt ist, abtasten und den Pegel der Abtastwerte zwischen aufeinander folgenden Abtastungen im wesentlichen halten.
12. 12. Sperrfilter nach Anspruch lü ader 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Haltemittel einen in Reihe geschalteten Schalter enthalten, der im geschlossenen Zustand die Eingangs-

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    wellenform einem parallel geschalteten Kondensator zuführt, der dadurch aufgeladen wird und so geschaltet ist, daä er die an ihm anliegende Spannung den Sperrfilterzweigen zuführt.

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