DE1061823B - Electronic switch with a transistor that is fed back via a saturation-free current transformer - Google Patents
Electronic switch with a transistor that is fed back via a saturation-free current transformerInfo
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Description
In der Steuer- und Regeltechnik werden als Regler, Stellglieder, gesteuerte Schütze usw. für Wechselstromspeisung meist elektronische Schalter mit Anschnittsteuerung verwendet, beispielsweise Stromtore und Magnetverstärker in Selbstsättigungsschaltung. Die Schalter haben dabei in der Regel auch die Aufgabe, als Verstärker zu wirken, d. h., die Steuerleistung ist wesentlich kleiner als die gesteuerte Leistung. Die bekannten Schalter dieser Art haben jedoch eine Reihe von Nachteilen im praktischen Betrieb. In control and regulation technology, regulators, actuators, controlled contactors, etc. are used for alternating current supply mostly electronic switches with gate control are used, for example power gates and magnetic amplifier in self-saturation circuit. The switches usually also have the task of act as an amplifier, d. That is, the control power is much smaller than the controlled power. However, the known switches of this type have a number of disadvantages in practical operation.
Bei Magnetverstärkern ist in den meisten Fällen eine Kaskadenschaltung erforderlich, um bei kleiner Ansprechzeit eine hohe Leistungsverstärkung zu erreichen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß durch die Kaskadenschaltung eine störende Totzeit in die Regelstrecke eingeführt wird und auf Grund der Oberwelligkeit die Leistungsverstärkung der zweiten Stufe nicht ihren normalen Wert erreicht. Während die Ansprechzeit der Kaskade etwa gleich der Summe der Ansprechzeiten der Kaskadenglieder ist, liegt die Gesamtverstärkungsziffer meist erheblich niedriger als das Produkt der Einzelverstärkungen. Diese Schwierigkeiten hat man dadurch zu umgehen versucht, daß man die Magnetverstärker statt mit Netzfrequenz mit einer höheren Frequenz, beispielsweise 1000 Hz, gespeist hat, was jedoch unter Umständen eine beträchtliche Aufwandserhöhung mit sich bringt.In the case of magnetic amplifiers, a cascade connection is required in most cases in order to reduce the Response time to achieve a high power gain. It should be noted that the Cascade connection a disturbing dead time is introduced into the controlled system and due to the harmonic ripple the power gain of the second stage does not reach its normal value. During the response time the cascade is approximately equal to the sum of the response times of the cascade elements, the total gain is usually considerably lower than the product of the individual reinforcements. These difficulties one tried to get around by using the magnetic amplifier instead of the mains frequency a higher frequency, for example 1000 Hz, fed, which, however, under certain circumstances a considerable Brings with it an increase in effort.
Auch die Stromtore lassen bei der praktischen Anwendung noch verschiedene Wünsche offen. Sie sind für viele Zwecke zu wenig robust, haben eine störende Anheizzeit und eine begrenzte Lebensdauer und arbeiten oft auf Grund der Heizleistung und des Spannungsabfalls (etwa 12 V) mit schlechtem Wirkungsgrad. Der letztere Nachteil tritt insbesondere dann in Erscheinung, wenn häufig ein Betrieb mit großem Zündwinkel, d. h. kleinem Ausgangsstrom auftritt, wie beispielsweise in der Technik der Bühnenbeleuchtung. Schließlich ist auch der Raumbedarf für eine Stromtorsteuerung nennenswerter Leistung verhältnismäßig groß.The electric gates also leave various wishes unfulfilled in terms of practical application. they are Not robust enough for many purposes, have a disruptive warm-up time and a limited service life and work often due to the heating power and the voltage drop (approx. 12 V) with poor efficiency. The latter disadvantage occurs in particular when frequently operating with large Ignition angle, d. H. low output current occurs, for example in stage lighting technology. Finally, the space required for a power gate control of significant performance is also proportionate great.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Schalter zu schaffen, der von den genannten Nachteilen frei ist und bei hoher Leistungsverstärkung die Vorteile des Stromtores (kleine An- Sprechzeit) mit den Vorteilen des Magnetverstärkers (robuster Aufbau und hoher Wirkungsgrad) verbindet. The invention is based on the object of creating an electronic switch which is one of the aforementioned Disadvantages is free and with high power amplification the advantages of the current gate (small Speaking time) with the advantages of the magnetic amplifier (robust construction and high efficiency).
Ein geeignetes Element hierzu ist der an sich bekannte Schalttransistor, d. h. ein Transistor, der nur in den Betriebszuständen »aus« und »ein« arbeitet und dadurch eine Leistung beherrschen kann, die erheblich über der Verlustleistung liegt. Derartige Schalttransitoren sind in der Starkstromtechnik bereits für Elektronischer SchalterA suitable element for this purpose is the switching transistor, which is known per se, i. H. a transistor that only works in the operating states "off" and "on" and can therefore master a performance that is considerable is above the power loss. Such switching transistors are already used in heavy current engineering Electronic switch
mit einem Transistor,with a transistor,
der über einen sättigungsfreienthe one about a saturation-free
Stromwandler rückgekoppelt istCurrent transformer is fed back
Anmelder:Applicant:
Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,Corporation,
Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dipl.-Ing. Rudolf Weppler, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Ing. Rudolf Weppler, Nuremberg,
has been named as the inventor
Regel- und Steuerzwecke verwendet worden. Dabei mußte aber das Steuersignal ebenso lang sein wie die gewünschte Öffnungszeit des Transistors und so groß, daß der Transistor voll geöffnet werden konnte. Dies erfordert bei größeren Verbraucherleistungen auch erhebliche Steuerleistungen, die mit Hilfe mehrstufiger Vorverstärker erzeugt werden müssen und einen beträchtlichen Aufwand für den Steuersatz verursachen. Beispielsweise kann bei Hochleistungstransistoren ein Steuerstrom in der Größenordnung von 1 bis 5 Ampere nötig sein, weil der Stromverstärkungsfaktor bei Transistoren mit hohen Kollektorströmen relativ klein ist. . . .Regulation and control purposes have been used. But the control signal had to be as long as the desired opening time of the transistor and so large, that the transistor could be fully opened. In the case of larger consumer services, this also requires considerable amounts Control power that must be generated with the help of multi-stage preamplifiers and a considerable Cause expense for the tax rate. For example, in the case of high-power transistors, a Control current in the order of 1 to 5 amps may be necessary because of the current gain factor Transistors with high collector currents is relatively small. . . .
Ein elektronischer Schalter mit einem Transistor, der über einen sättigungsfreien Wandler rückgekoppelt ist, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch die Anwendung einer überkritischen Rückkopplung, derart, daß das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers höchstens gleich dem Stromverstärkungsfaktor ist. Ein derart bemessener Stromwandler bietet die Gewähr, daß der Transistor, wenn er durch eine fremde Steuergröße im Laufe einer Halbwelle der Speisespannung im Öffnungssinn gesteuert wird, sich selbst öffnet und so lange offenhält, bis die Speisespannung gegen Null geht. Der rückgekoppelte Schalttransistor nach der Erfindung ist also imstande,An electronic switch with a transistor that feeds back via a saturation-free converter is, according to the invention, is characterized by the use of supercritical feedback, such as that the transformation ratio of the current transformer is at most equal to the current amplification factor. Such a rated current transformer offers the guarantee that the transistor, if it is triggered by an external control variable in the course of a half-cycle of the The supply voltage is controlled in the opening direction, opens itself and remains open until the supply voltage goes to zero. The feedback switching transistor according to the invention is thus able
909 578/282909 578/282
wie ein Stromtor mit Anschnittsteuerung zu arbeiten, und kann mit bekannten Steuersätzen ausgesteuert werden, die für solche Stromtore bereits entwickelt worden sind. Die Steuersätze brauchen nur für geringe Leistungen ausgelegt zu sein, da entsprechend der, wesentlichen Eigenschaft des Erfindungsgegenstandesdie zum vollen öffnen und Offenhalten des Transistors nötige Leistung vom Verbraucherkreis geliefert wird, wo sie nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtleistung ausmacht.to work like a current gate with gate control, and can be controlled with known tax rates that have already been developed for such power gates. The tax rates only need for low Services to be designed, because according to the essential property of the subject matter of the invention for fully opening and keeping the transistor open, the power required is supplied by the consumer circuit where it only accounts for a small fraction of the total output.
Es ist möglich, mit dem Transistor ein Ventil in Reihe, zu schalten, so daß dem Arbeittsstromkreis (Kollektorstromkreis) die Stromrichtung aufgeprägt ist.' Eine derartige Schaltung verhält sich wie ein steuerbares Ventil. Die Schaltleistung ist durch das Produkt aus Sperrspannung und Durchlaßstrom des Transistors bestimmt und erreicht schon bei den heute vorliegenden Transistoren aus Silizium Werte in der Größenordnung von kW. Der Spannungsabfall an Transistor, Ventil und Wandler ist nur etwa halb so groß wie der von Stromtoren.It is possible to connect a valve in series with the transistor, so that the working circuit (Collector circuit) the current direction is impressed. ' Such a circuit behaves like a controllable valve. The switching capacity is determined by the product of reverse voltage and forward current of the The transistor determines and already achieves values in the range of the silicon transistors available today Order of magnitude of kW. The voltage drop across the transistor, valve and converter is only about half that as big as that of electricity gates.
Aufbau und Wirkungsweise des Schalters nach der Erfindung seien im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.The structure and mode of operation of the switch according to the invention are given below on the basis of exemplary embodiments explained in more detail, which are shown schematically in the drawing.
In Fig. 1 ist zur Erklärung der grundsätzlichen Funktion ein Element des neuen Schalters dargestellt. An den nicht näher bezeichneten Netzspannungsklemmen liegen in Reihe der Schalttransistor 1, die Primärwicklung 3 des Stromwandlers 2 für die Rückkopplung, der Verbraucher 11 und das Ventil 6. Die Sekundärwicklung 4 ist über einen Widerstand 5 an den Steuerkreis des Transistors 1, d. h. an Basis und Emitter, angeschlossen. Die Steuergröße wird den Klemmen 9 und 10 zugeführt und durch einen Übertrager 8 in den Steuerkreis des Transistors übersetzt. Ein Widerstand 7 dient zur Entkopplung gegen den Rückkopplungskreis.In Fig. 1, an element of the new switch is shown to explain the basic function. The switching transistor 1, the primary winding, is connected in series to the mains voltage terminals, which are not designated in any more detail 3 of the current transformer 2 for the feedback, the consumer 11 and the valve 6. The secondary winding 4 is via a resistor 5 to the control circuit of the transistor 1, i. H. at base and Emitter, connected. The control variable is fed to terminals 9 and 10 and through a transformer 8 translated into the control circuit of the transistor. A resistor 7 is used for decoupling from the Feedback loop.
Fig. 2 zeigt die Netzspannung Un und die am Verbraucher
11 auftretende Spannung LJ11. In den Momenten
tz wird durch eine von außen zugeführte Steuergröße
der Transistor 1 etwas geöffnet, so daß Kollektorstrom zu fließen beginnt. Der Stromwandler
liefert einen Rückkopplungsstrom, der den Transistor rasch voll öffnet und für den Rest der Halbwelle geöffnet
hält. Die entgegengesetzte Halbwelle wird durch das Ventil 6 gesperrt, so daß dem Verbraucher
anschnittsgesteuerte Halbwellen zugeführt werden,
. Fig. 3 zeigt das Kennlinienfeld des Transistors, d. h. den Kollektorstrom Iκ. gegen die Kollektor-Emitter-Spannung
U^ mit den BasisströmenIBv lBv
IBs und Ißi als Parameter. Die Widerstandsgerade ist
mit R bezeichnet und die Arbeitspunkte des Schalttransistors mit A1 (Öffnungszustand) und A2 (Sperrzustand).
Der durch die Rückkopplung gelieferte Basisstrom muß so groß sein, daß die Widerstandsgerade
R die jeweils gültige Kennlinie im steilen Teil und nicht im flachen Teil schneidet, da sonst der Transistor
Spannung aufnimmt und nicht voll geöffnet ist. Diese Bedingung für den Basisstrom wird erfmdungsgemäß
dadurch erfüllt, daß das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers, d. h. das Verhältnis Kollektorstrom
zu Rückkopplungsstrom, kleiner oder höchstens gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors
ist. ■ . . ·2 shows the mains voltage U n and the voltage LJ 11 occurring at the consumer 11. At the moments t z , the transistor 1 is opened somewhat by an externally supplied control variable, so that collector current begins to flow. The current transformer supplies a feedback current that quickly opens the transistor fully and keeps it open for the remainder of the half-cycle. The opposite half-wave is blocked by the valve 6, so that gate-controlled half-waves are fed to the consumer.
. Fig. 3 shows the family of characteristics of the transistor, ie the collector current Iκ. against the collector-emitter voltage U ^ with the base currents I Bv l Bv I Bs and Ißi as parameters. The straight line resistance is denoted by R and the operating points of the switching transistor by A 1 (opening state) and A 2 (blocking state). The base current supplied by the feedback must be so large that the resistance line R intersects the respectively valid characteristic in the steep part and not in the flat part, otherwise the transistor will pick up voltage and will not be fully open. According to the invention, this condition for the base current is fulfilled in that the transformation ratio of the current transformer, ie the ratio of collector current to feedback current, is less than or at most equal to the current amplification factor of the transistor. ■. . ·
Es ist leicht ersichtlich, daß die von außen zugeführte Steuergröße nur kurzzeitig vorhanden sein muß, um die gewünschte Anschnittsteuerung zu erreichen. Es sind also die für Stromtore üblichen Impulssteuersätze anwendbar. Es ist jedoch auch möglich, die Steuergröße selbst als anschnittgesteuerte Spannung vorzusehen, beispielsweise als Ausgangsspannung einer Magnetverstärkervorstufe in Selbstsättigungsschaltung, die als Steuersatz arbeitet. Die überkritische Rückkopplung sorgt wieder dafür, daß der Transistor voll geöffnet wird, so daß der Steuersatz nur einen geringen Steuerstrom abgeben muß.It can be easily seen that the externally supplied The control variable only has to be available for a short time in order to achieve the desired lead-in control. The usual pulse control rates for power gates can therefore be used. However, it is also possible to provide the control variable itself as a gate-controlled voltage, for example as an output voltage a magnetic amplifier pre-stage in a self-saturation circuit that works as a tax rate. the Supercritical feedback again ensures that the transistor is fully opened, so that the tax rate only has to deliver a small control current.
Das Element nach Fig. 1 ist für sich nicht ohne weiteres verwendbar, und zwar wegen der einseitigenThe element of Fig. 1 is not readily usable by itself, because of the one-sided
ίο Magnetisierung des Wandlers, die nach einigen Halbwellen zur Sättigung führt. Bei praktischen Anwendungen, wo immer beide Halbwellen jeder Wechselspannungsperiode gesteuert werden, fällt diese Schwierigkeit von selbst fort, da der Stromwandler abwechselnd in beiden Richtungen magnetisiert wird.ίο magnetization of the transducer after a few half waves leads to saturation. In practical applications, wherever both half-waves of each alternating voltage period are controlled, this difficulty disappears by itself, since the current transformers alternate is magnetized in both directions.
Zur Speisung von Gleichstromverbrauchern kann eine Schaltung nach Fig. 4 verwendet werden, bei der im wesentlichen zwei Elemente nach Fig. 1 zu einer Mittelpunktschaltung zusammengesetzt sind. Gleich-A circuit according to FIG. 4 can be used to feed direct current consumers, in which essentially two elements according to FIG. 1 are combined to form a midpoint circuit. Same-
ao artige Schaltungselemente sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen bzw. durch die Vorsatzzahl 10 gekennzeichnet.ao-like circuit elements are provided with the same reference numerals as in FIG. 1 or by the Prefix 10 marked.
Zur Speisung des Tranistors dient ein Netztransformator 100 mit mittelangezapfter Sekundärwicklung; außerdem ist ein Stromwandler 2 mit zwei Sekundärwicklungen 4 und 104 vorgesehen. Als Gleichstromverbraucher ist der Anker eines Motors in Reihe mit einer Glättungsdrossel 109 angedeutet. Die Steuerung erfolgt über einen Transformator 8 mit zwei Sekundärwicklungen 108 und 108' auf dem gleichen Kern. Zur Steuerung beider Halbwellen eines Wechselstromes kann eine Schaltung nach Fig. 5 verwendet werden, die hinsichtlich der einzelnen Steuerkreise analog der Schaltung nach Fig. 1 aufgebaut ist. Als Transistor 1 dient ein symmetrischer Transistor, der in beiden Richtungen steuerbar ist. Der Stromwandler 2 weist eine zweite Sekundärwicklung 204 auf, die zur Steuerung des Transistors in der entgegengesetzten Halbwelle dient. Um unerwünschte Stromflüsse zu unterbinden, sind die Rückkopplungskreise mit Ventilen 200 bzw. 201 versehen. Die Steuerung erfolgt wieder über einen Transformator 8 mit zwei Sekundärwicklungen 108 und 208 am gleichen Kern.A mains transformer 100 with a center-tapped secondary winding is used to feed the transistor; a current transformer 2 with two secondary windings 4 and 104 is also provided. As a direct current consumer the armature of a motor is indicated in series with a smoothing throttle 109. The control takes place via a transformer 8 with two secondary windings 108 and 108 'on the same core. A circuit according to FIG. 5 can be used to control both half-waves of an alternating current which is constructed analogously to the circuit of FIG. 1 with regard to the individual control circuits. as Transistor 1 is a symmetrical transistor that can be controlled in both directions. The current transformer 2 has a second secondary winding 204 which is used to control the transistor in the opposite Half-wave is used. In order to prevent undesired current flows, the feedback circuits are provided with valves 200 and 201, respectively. The control takes place again via a transformer 8 with two secondary windings 108 and 208 on the same Core.
Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung beider Halbwellen eines Wechselstromes ist in Fig. 6 dargestellt. Es ist dort von dem bekannten Prinzip der Antiparallelschaltung von Ventilen Gebrauch gemacht. Die einzelnen Stromkreise entsprechen wieder weitgehend denen der Schaltung nach Fig. 1, jedoch sind zwei jeweils mit Ventilen in Reihe geschaltete Transistoren 1 und 301 vorgesehen. Auch hier dient zur Steuerung ein Transformator 8 mit zwei Sekundärwicklungen 108 und 308 am gleichen Kern. Zur Lieferung der Steuerimpulse dient im Ausführungsbeispiel ein Magnetverstärker 320 in Selbstsättigungsscnaltung mit Wechselstromausgang, bestehend aus den beiden Drosseln 321 und 322 und den Ventilen 324 und 325. Die Steuerung des Magnetverstärkers erfolgt mit Gleichstrom über die Steuerwicklungen 323.Another possibility for controlling both half-waves of an alternating current is shown in FIG. Use is made there of the known principle of the anti-parallel connection of valves. the individual circuits again largely correspond to those of the circuit according to FIG. 1, but there are two each Transistors 1 and 301 connected in series with valves are provided. This is also used for control a transformer 8 with two secondary windings 108 and 308 on the same core. To deliver the control impulses In the exemplary embodiment, a magnetic amplifier 320 in self-saturation circuit with AC output is used, consisting of the two throttles 321 and 322 and the valves 324 and 325. The control of the magnetic amplifier takes place with direct current via the control windings 323.
Magnetverstärker als Steuersätze müssen zur Steuerung des Schalttransistors nur sehr kleine Steuerleistungen aufbringen, etwa in der Größenordnung von 100 mW, und können daher mit sehr kleinen Eisenvolumen ausgeführt werden. Man wird auf den kleinsten verfügbaren Magnetverstärkertyp zurückgreifen. Durch geeignete Bemessung der Steuerleistung des Magnetverstärkers erreicht man für diesen sehr geringe Zeitkonstanten etwa in der Größen-Ordnung von 10 msec.Magnetic amplifiers as control sets only need very small control powers to control the switching transistor apply, approximately in the order of 100 mW, and can therefore with very small Iron volume are run. The smallest type of magnetic amplifier available will be used. A suitable dimensioning of the control power of the magnetic amplifier can be achieved for this very low time constants in the order of magnitude of 10 msec.
Magnetische Steuersätze, wie sie für Stromtorregler bereits entwickelt worden sind, gestatten galvanisch getrennten Vergleich von Sollwert und Istwert sowie Aufschaltung von Rückführgrößen, Störwerten u. dgl. Dies ist bei vielen Schaltungsanord- nungen in Regelkreisen von großer Bedeutung. Um in besonderen Fällen die Regel verstärkung zu erhöhen, kann vor den Steuersatz ein weiterer Magnetverstärker oder ein Transistorverstärker geschaltet werden. Ein solcher zusätzlicher Magnetverstärker bringt dabei keine Beeinträchtigung der Ansprechzeit des Schalters, da die Aufgaben einer hohen Regelverstärkung einerseits und einer hohen Leistungsverstärkung andererseits nicht von demselben Verstärker erfüllt werden müssen.Magnetic control sets, as they have already been developed for current gate controllers, allow galvanic separate comparison of setpoint and actual value as well as connection of feedback variables, disturbance values and the like. of great importance in control loops. To increase the rule gain in special cases, a further magnetic amplifier or a transistor amplifier can be connected in front of the tax rate. A Such an additional magnetic amplifier does not affect the response time of the switch, because the tasks of a high control gain on the one hand and a high power gain on the other need not be met by the same amplifier.
Mit dem elektronischen Schalter nach der Erfindung lassen sich sämtliche Schaltungen verwirklichen, die mit Stromtoren, Magnetverstärkern und ähnlichen anschnittgesteuerten Schaltern ausführbar sind. Die Erfindung hat besondere Bedeutung bei Steuer- und Regelkreisen wegen ihres einfachen und nicht störanfälligen Aufbaus, ihrer kleinen Zeitkonstante, ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer großen Leistungsverstärkung. Beispielsweise ist sie für Stromrichtermotoren, die Steuerung von Leuchtstofflampen und als Regler für die Drehzahl- und Spannungsregelung anwendbar. Während sich die Ausführungsbeispiele auf einphasigen Netzanschluß beziehen, können ohne weiteres auch Mehrphasenschaltungen ausgeführt werden.With the electronic switch according to the invention, all circuits can be realized which can be implemented with current gates, magnetic amplifiers and similar gate-controlled switches. the Invention is of particular importance in open-loop and closed-loop control loops because of its simple and not prone to failure Structure, their small time constant, their high efficiency and their large power gain. For example, it is used for converter motors, the control of fluorescent lamps and can be used as a controller for speed and voltage regulation. While the exemplary embodiments relate to single-phase mains connection, without further multiphase circuits can also be carried out.
Claims (10)
Deutsche Auslegeschrift S 43648 VIII a/21 a1 (bekanntgemacht am 27. 9. 1956). Considered publications:
German Auslegeschrift S 43648 VIII a / 21 a 1 (published on September 27, 1956).
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DES57104A DE1061823B (en) | 1958-02-26 | 1958-02-26 | Electronic switch with a transistor that is fed back via a saturation-free current transformer |
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Country | Link |
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DE (1) | DE1061823B (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1190034B (en) * | 1961-08-31 | 1965-04-01 | Gen Electric Co Ltd | Electronic gate circuit |
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-
1958
- 1958-02-26 DE DES57104A patent/DE1061823B/en active Pending
Non-Patent Citations (1)
Title |
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DE S43648 (Bekanntgemacht am 27.09.1956) * |
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