DE2831278A1

DE2831278A1 - Schaltungsanordnung zur begrenzung der ausgangsspannung eines verstaerkers

Info

Publication number: DE2831278A1
Application number: DE19782831278
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Lacroix
Original assignee: Nokia Inc
Current assignee: Nokia Inc
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1978-07-17
Publication date: 1979-02-08
Also published as: BE868679A; IT7825687A0; IT1097146B; US4166983A; LU80013A1; FR2398408B1; FR2398408A1

Description

SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR BEGRENZUNG DER AUSGÄNGSSPANNUNG EINES VERSTÄRKERS

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Ausgangsspannung eines Verstärkers, insbesondere eines elektronischen Operationsverstärkers.

In vielen Anwendungsfällen ist es notwendig, den Signalpegel der Ausgangsspannung eines Verstärkers zu begrenzen oder gar die Ausgangsspannung für bestimmte Eingangspegelbereiche zu neutralisieren, d.h. auf ein willkürliches Potential festzulegen. Dies gilt beispielsweise, wenn man die Signalkomponenten, deren Amplitude in einem gewissen Bereich liegt, verringern oder nivellieren will, ohne andere Pegelbereiche zu beeinträchtigen. Dies ist etwa der Fall, wenn man die Berücksichtigung eines Signals vermeiden will, das aufgrund

auf

seiner besonderen Pegelverhältnisse /einen Fehler in dem Schaltkreis schließen läßt, von dem dieses Signal ausgeht.

Die Erfindung löst deshalb die Aufgabe, die Ausgangsspannung eines Verstärkers zu begrenzen oder gar zu neutralisieren, wenn bestimmte Pegelverhältnisse am Signaleingang vorliegen .

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele mithilfe der Zeichnungen näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt eine erste Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Fig. 2 zeigt eine Betriebskurve der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig. 4 ein diesem Ausführungsbeispiel zugeordnetes Betriebsdiagramm.

Der Verstärker 1, dessen Ausgangsspannung in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 begrenzt werden soll, ist ein üblicher Operationsverstärker mit hohem Verstärkungsgrad, großer Eingangsimpedanz und niedriger Ausgangsimpedanz, sowie mit zwei Eingängen unterschiedlichen Vorzeichens 2 und 3. Ein Rückführungswiderstand 6 zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Verstärkers bestimmt im Zusammenhang mit in den Eingangsleitungen vorhandenen Serienwiderständen 4 und 5 den Verstärkungsgrad dieses Operationsverstärkers in bekannter Art. Die Versorgungsspannung wird dem Verstärker über zwei Anschlüsse 7 und 8 zugeführt, von denen der in der Figur untere Anschluß 7 der positive und der andere Anschluß der negative sei. Der positive Anschluß 7 ist mit dem positiven Pol +VA einer Versorgungsspannungsquelle über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 9 sowie parallel dazu über einen Widerstand 10 verbunden. In gleicher Weise ist der negative Anschluß 8 mit dem negativen Pol -VA der Versorgungsspannungsquelle über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 11 und über einen Widerstand 12 verbunden. Der Transistor 9 ist vom PNP Typ und sein Emitter

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ist an den positiven Pol +VA angeschlossen. Die Basis dieses Transistors liegt über einen Widerstand 13 am Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers 14 und über einen Widerstand 15 am positiven Pol +VA. Der Transistor 11 ist vom NPN Typ und sein Emitter ist an den negativen Pol -VA angeschlossen. Seine Basis liegt über einen Widerstand 16 am Ausgang eines dritten Operationsverstärkers 17 und über einen Widerstand am negativen Pol -VA der Versorgungsspannungsquelle. Die beiden Operationsverstärker 14 und 17 besitzen je einen positiven und negativen VersorgungsSpannungsanschluß 19 und 20 bzw. 21 und 22, über die sie unmittelbar an die entsprechenden Pole der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen sind. Jeder der beiden Verstärker 14 und 17 besitzt einen invertierenden Eingang 23 bzw. 29, der an den Mittelabgriff eines Spannungsteilers 24 und 25 bzw. 30 und 31 zwischen einem der Pole +VA bzw. -VA der Versorgungsspannungsquelle und dem Versfcärkereingang 2 angeschlossen ist. In gleicher Weise ist der nicht invertierende Eingang 26 bzw. 32 jedes der Verstärker 14 bzw. 17 an den Mittelabgriff eines aus zwei Widerständen 27 und 28 bzw. 33 und 34 bestehenden Spannungsteilers angeschlossen, dar je zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 1 und einem der Pole +VA bzw. -VA der Versorgungsspannungsquelle liegt. Außerdem verbindet ein Widerstand 35 den positiven Anschluß 7 mit dem negativen Pol -VA der Versorgungsspannungsquelle sowie entsprechend ein Widerstand 36 den negativen Anschluß 8 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle +VA .·

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Der Operationsverstärker 1 stellt mit seinen Eingangswiderständen 4 und 5 und der Rückkopplungsimpedans: 6 den Verstärker dar, dessen Ausgangsspannung begrenzt werden soll. Die Potentiale der Versorgungsspannung +VA und -VA werden so gewählt, daß ein Normalbetrieb, d.h. eine lineare Verstärkungsfunktion in einem gewissen Pegelbereich des an den Eingängen 2 und 3 anliegenden Signal erreicht wird. Das Eingangssignal sei als das Potential am Eingang 2, der zum invertierenden Eingang des Verstärkers 1 führt, bezogen auf das Potential am Eingang 3 definiert. Mit dieser Definition ist der Verstärker 1 ein linearer Umkehrverstärker, dessen Ausgangssignal sich phasenverkehrt zum Eingangssignal Ve verhält.

Die Operationsverstärker 14 und 17 wirken mangels Rückkopplungswiderstand als Schwellwertdetektoren. Die Widerstände 24, 25, 27 und 28 bzw. 30, 31, 33 und 34 sind so berechnet, daß der Verstärker 14 bzw. 17 plötzlich seinen Schaltzustand ändert, wenn das Eingangssignal Ve eine Schwelle Sl für den Verstärker 14 bzw. S2 für den Verstärker 17 überschreitet. Die Schwelle S2 sei höher als die Schwelle Sl angesetzt. Da die Eingänge der beiden Verstärker 14 und 17 über die Spannungsteiler an die gleichnamigen Eingänge 2 bzw. 3 des zu begrenzenden Operationsverstärkers 1 angeschlossen sind, ändert sich ihre Ausgangsspannung gleichsinnig mit der des Verstärkers 1. Am Ausgang der Verstärker 14 bzw« 17 liegt also das Potential +VA an, solange die festgelegte Schwelle Sl bzw. S2 nicht erreicht ist, und das Potential -VA im gegenteiligen Fall.

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Der Transistor 9 bildet zusammen mit dem Widerstand 10 und dem Widerstand 35 einen Schaltkreis mit zwei diskreten Zuständen, durch den der positive Anschluß 7 des Verstärkers 1 das volle Potential +VA erhält, solange der Transistor 9 gesättigt ist und ein Potential Vl, wenn der Transistor 9 gesperrt ist. Der Transistor 9 ist gesättigt, wenn der Ausgang des ihm vorgeordneten Operatxonsverstärkers 14 das Potential -VA zeigt, d.h., solange die Eingangsspannung absolut über der Schwelle Sl liegt. Daraus folgt, daß der Versorgungsspannungsanschluß 7 des Operatxonsverstärkers 1 mit dem Potential +VA versorgt wird, wenn die Eingangsspannung Ve größer als die Schwelle Sl ist, und mit dem Potential Vl im gegenteiligen Fall versorgt ist. Letzteres Potential wird im wesentlichen durch die Werte der Widerstand 10 und 35 festgelegt. Es wird unterhalb des Potentials festgelegt, das vom Ausgang des Operatxonsverstärkers 1 angezeigt wird, wenn dieser eingangsseitig mit einem Signal des Schwellwerts Sl beaufschlagt wird. Durch diese Wahl der Potentiale ergibt sich die Sättigung des Operatxonsverstärkers 1, wenn der positive Versorgungsanschluß vom Potential +VA auf das Potential Vl übergeht.

Gleiches gilt entsprechend für den Transistor 11 und die Widerstände 12 und 36 bezüglich des negativen Anschlusses 8 der Versorgungsspannung des Verstärkers 1. Der Transistor ist gesättigt, wenn der Ausgang des Operatxonsverstärkers 17 auf dem Potential +VA liegt, d.h., wenn die Eingangsspannung Ve absolut unterhalb des Schwellwerts S2 liegt. Der negative Anschluß 8 des Operatxonsverstärkers 1 liegt daher am Potential ^VA, solange die Eingangsspannung Ve absolut niedriger

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als der Schwellwert S2 ist und ansonsten auf dem Potential V2. Letzteres Potential wird größer als der Potentialwert gewählt, der sich am Ausgang des Operationsverstärkers 1 einstellt, wenn am Eingang eine Spannung des Schwellwerts S2 anliegt und wenn er normal mit Betriebsspannung versorgt wird. Der Operationsverstärker 1 wird also gesättigt, wenn das Potential am negativen Versorgungsspannungsanschluß 8 vom Potential -VA auf das Potential V2 übergeht,

Fig. 2 zeigt eine Betriebskurve für die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 bezogen auf die Eingangsspannung Ve.

Solange das Eingangssignal Ve des Operationsverstärkers 1 zwischen den Schwellen Sl und S2 liegt, wird dieser Verstärker mit der vollen Versorgungsspa nnung zwischen +Vä und -VA versorgt. Der Verstärker wird also in seinem linearen Bereich betrieben« Der Operationsverstärker 14 empfängt eingangsseitig eine Spannung, die oberhalb seiner Schwelle liegt, so daß am Ausgang das Potential -VA erscheint und der Transistor 9 gesättigt ist* Der Operationsverstärker 17 empfängt eine Eingangsspannung, die unter dem Schwellwert S2 liegt und liefert ausgangsseitig das Potential +VA, so daß der Transistor 11 ebenfalls gesättigt ist. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 ist also zwischen einem positiven Grenzwert V¹I und einem negativen Grenzwert V¹2 ein lineares Abbild der Eingangsspannung Ve.

Wenn das Eingangssignal Ve die untere Schwelle Sl überschreitet, dann kippt der Verstärker 14 um und der Transistor 9 wird gesperrt, während der Ausgang des Operationsverstärkers 17 weiterhin das Potential +VA anzeigt. Der

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Operationsverstärker 1 wird also nach wie vor voll aus dem negativen Pol -VA versorgt, während der positive Anschluß 7 nur mehr auf dem Potential Vl liegt, welcher Wert als unter V¹1 angenommen wird. Der Operationsverstärker 1 sättigt sich und sein Ausgang gelangt auf einen Potentialwert in der Nähe des Werts Vl. Wenn das Eingangssignal Ve die obere Schwelle S2 überschreitet, dann kippt der Operationsverstärker 17 um und blockiert den Transistor 11, während der Ausgang des Operationsverstärkers 14 weiterhin das Potential -VA anzeigt. Der positive Anschluß 7 des Operationsverstärkers 1 bleibt also auf dem Potential +VA, während der negative Anschluß 8 auf das Potential V2 übergeht. Da, wie angenommen, das Potential V2 größer als das Potential V¹2 ist, sättigt sich der Operationsverstärker und liefert ausgangsseitig ein Potential in der Nähe von V2.

Es ist beachtenswert, daß die oberen und unteren Begrenzungen des Variationsbereichs für die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 getrennt eingestellt werden, indem wahlweise auf den positiven Pol und auf den negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle eingewirkt wird. Man kann auch nur in einer Richtung eine Begrenzung vorsehen, indem man den Schwellwertverstärker und den Schaltkreis mit zwei diskreten Zuständen auf der einen Seite wegläßt.

Der Potentialwert Vl wird im Bereich zwischen V1 und -VA und der Wert V2 im Bereich zwischen den Werten V 2 und VA festgelegt. Die beiden können gleich groß sein oder der eine oder andere kann größer sein.

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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindingsgemäßen Schaltungsanordnung,mit der der Ausgang des Operationsverstärkers neutralisiert werden kann, wenn der Eingangssignalpegel in einem gegebenen Bereich liegt.

Der Operationsverstärker, bei dem ein Pegelbereich neutralisiert werden soll, ist ein Differentialverstärker 40 mit zwei Eingangswiderständen 41 und 42 an den Eingängen 43 und 44, sowie mit einer Rückkopplungsimpedanz 45 zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang. Der Operationsverstärker 40 besitzt zwei Stromversorgungsanschlüsse, einen positiven Anschluß 46 und einen negativen Anschluß 47. Der positive Anschluß 46 ist über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 48 und parallel dazu über einen Widerstand 49 mit dem positiven Pol +VA verbunden, während der negative Anschluß 47 unmittelbar an den negativen Pol -VA der Versorgungsspannung führt. Der Transistor 48 ist vom PNP-Leitungstyp und seine Basis ist über einen Widerstand 50 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle +VA sowie über einen Widerstand 51 in Reihe mit einer ODER-Dioäe 52 an den Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers 53 angeschlossen. Parallel hierzu ist der Ausgang eines dritten Operationsverstärkers 55 über eine zweite ODER-Diode 54 an den Widerstand 51 angeschlossen. Die Versorgungsspannungsanschlüsse 56 und 58 bzw. 57 und 59 des zweiten und dritten Operationsverstärkers sind unmittelbar mit den entsprechenden Polen +VA bzw. -VA der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Auch diese Ope-

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rationsverstärker sind Differentialverstärker und ihre Eingänge 60, 63, bzw. 66, 69 sind wie im vorhergehenden Fall über Spannungsteiler 61, 62, 64, 65, 67, 68 und 70, 71 an die zugeordneten Pole +VA bzw. -VA der Versorgungsspannungsquelle und die Eingänge 43 bzw. 44 des Operationsverstärkers 40 angeschlossen. Ein Widerstand 72 verbindet den Kollektor des Transistors 48 mit dem negativen Pol -VA der Versorgungsspannungsquelle .

Der Operationsverstärker 40 bildet mit seinen Eingangswiderständen 41, 42 und dem Rückkopplungswiderstand 45 einen üblichen Operationsverstärker, dessen Ausgang neutralisiert werden soll, wenn die Eingangssignalamplitude sich in einem gegebenen Bereich um den Nullpunkt herum bewegt. Nimmt man, wie vorher, als Definition an, daß das Eingangssignal Ve gleich dem Potential am negativen Eingang 43 bezogen auf das Potential am Eingang 44 sei, dann handelt es sich auch hier wieder um einen Umkehrverstärker, dessen Ausgangssignal sich gegenphasig zum Eingangssignal verhält. Die Potentiale +VA und -VA der Versorgungsspannungsquelle werden so gewählt, daß der Verstärker 40 als Linearverstärker arbeiten kann, wenn sein positiver und negativer Versorgungsanschluß 46 bzw. 47 an die Pole der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen sind.

Der Transistor 48 bildet mit dem Widerstand 49 und dem Widerstand 72 einen Schaltkreis mit zwei diskreten Zuständen, durch den wahlweise der Anschluß 46 auf das Potential +VA gebracht werden kann, wenn der Transistor 48 gesättigt ist, bzw. auf das Potential V3, wenn der Transistor 48 ge-

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spert ist. Das Potential +V3 wird im wesentlichen durch die Werte der Widerstände 49 und 72 bestimmt.

Der Transistor 48 wird über die ODER-Dioden 52 und

54 gesteuert, die die Ausgänge der Operationsverstärker 53 und 55 gegeneinander entkoppeln. Der Transistor 48 ist also gesperrt, -wenn einer der beiden Operationsverstärker 53 oder

55 ausgangsseitig das Potential -VA liefert. Wenn dagegen beide Verstärker 53 und 55 das Potential +VA liefern, dann ist der Transistor 48 gesperrt.

Die beiden Operationsverstärker 53 und 55 bilden je einen Schwellwertverstärker mit unterschiedlicher Schwelle, Sl für den Verstärker 53 und S2 für den Verstärker 55, wobei Sl oberhalb von S2 durch geeignete Wahl der Spannungsteilerwiderstände festgelegt wird. Der Ausgang des Verstärkers 53 liefert das Potential +VA, solange das Eingangssignal Ve unterhalb des Schwellwerts Sl liegt, ansonsten liefert er das Potential -VA. Die Spannungsteiler mit den Widerständen 67, 68 und 70, 71 verbinden ungleichnamige Eingänge des Verstärkers 55 und des Verstärkers 40. Daher variiert die Ausgangsspannung des Verstärkers 55 im Gegensinn zu der des Operationsverstärkers 40, d.h., der Verstärker 55 liefert das Potential -VA, solange die Eingangsspannung Ve den Schwellwert S2 nicht überschritten hat und ansonsten das Potential +VA,

Fig. 4 zeigt eine Betriebskurve für die Schaltungsanordnung nach Fig. 3, nämlich die Ausgangsspannung Vs des Verstärkers 40 in Abhängigkeit von seiner Eingangsspannung Ve.

Wenn das Eingangssignal Ve des Operationsverstärkers 40 größer als die Schwelle Sl ist, dann wird dieser Verstärker über den Anschluß 46 mit der vollen Versorgungsspannung +VA beaufschlagt.und der Verstärker befindet sich im Linearbetrieb. Der Operationsverstärker 53 liefert das Potential -VA und sättigt den Transistor 48 über die Diode 52. Ebenfalls wird dar Linearbetrieb erreicht, wenn der Pegel des Eingangssignals Ve niedriger als die Schwelle S2 ist, da dann der Operationsverstärker 55, dessen Ausgang das Potential -Va liefert, den Transistor 48 über die Diode 54 sättigt. Man erkennt also, daß der Operationsverstärker 40 im Linearbetrieb arbeitet, solange der Eingangssignalpegel außerhalb des Pegelbereichs Sl-S2 liegt.

Wenn das Eingangssignal Ve jedoch in den Bereich zwischen den Schwellen Sl und S2 gelangt, dann liefern die beiden Operationsverstärker 53 und 54 gemeinsam das Potential +VA und sperren damit den Transistor 48, so daß das Potential V3 an den positiven Versorgungsanschluß 46 des Operationsverstärkers 40 gelangt. Dieses Potential V3 wird im wesentlichen durch die Werte der Widerstände 69 und 72 bestimmt, und so festgelegt, daß es niedriger als alle Werte des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 40 wäre, wenn das Eingangssignal bei voll vorhandener Versorgungsspannung zwischen den Schwellen Sl und S2 läge. Die Umschaltung des Potentials am Anschluß 46 führt also dazu, daß der Operationsverstärker 40 in die Sättigung gelangt, und eine Ausgangsspannung angibt, die in der Nähe des Werts des Potentials V3 liegt.

Im soeben beschriebenen Beispiel ist der Pegel V3, bei dem der Ausgang des Verstärkers 40 neutralisiert wird, wenn das Eingangssignal zwischen den Schwellen Sl und S2 liegt, niedriger als der Ausgangspegel des Verstärkers 40 ohne die Neutralisation. Wenn man wünscht, daß dieser Pegel V3 größer ist als der, den der Ausgang des Verstärkers ohne Neutralisierung annehmen würde, so muß man die Versorgungsspannungsumschaltung am negativen Anschluß 47 und nicht am positiven Anschluß 46 vornehmen.

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Claims

^Fol0924D 17. Juli 1978

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COMPAGNIE INDUSTRIELLE DES TELECOMMUNICATIONS

CIT-ALCATEL S.A. 12, rue de la Baume, 75008 PARIS, Prankreich

SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR BEGRENZUNG DER AUSGANGSSPANNUNG EINES VERSTÄRKERS

PATENTANSPRÜCHE

1-/ Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Ausgangs— spannung eines Verstärkers, dadurch geken n— zeichnet, daß die Versorgungsgleichspannung des Verstärkers über mindestens einen Schaltkreis mit zwei diskreten Zuständen (9,11) zugeführt wird, wobei der erste Zustand die Gleichstromversorgung des Verstärkers (1) im Normalbetrieb bedingt und im zweiten Zustand dem Verstärker eine reduzierte Versorgungsgleichspannung zugeführt wird, und daß ein Schwellwertdetektor (14,17) eingangsseitig an den Signaleingang (2,3) des Verstärkers angeschlossen ist und ausgangsseitig den Schaltkreis mit zwei diskreten Zuständen derart steuert, daß dieser Schaltkreis seinen zweiten Zustand einnimmt, wenn das Eingangssignal solche Werte annimmt, daß der Ausgangssignalpegel des Verstärkers einen

unter- oder

vorgegebenen Grenzwertfüberschreiten würde, wenn die Spannungsversorgung gemäß dem ersten Zustand erfolgte.

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ORIGINAL INSPECTED

2 - Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schaltkreise (9,11) mit zwei diskreten Zuständen je zwischen einem Pol der Versorgungsgleichspannungsquelle (+VA, -VA) und dem Verstärker vorgesehen sind und daß zwei Schwellwertdetektoren (14,17) je den Schaltzustand eines der Schaltkreise überwachen und eingangsseitig an einen Eingang des Verstärkers angeschlossen sind.

3 -■ Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltkreis mit zwei diskreten Zuständen zwischen einem Pol der Versorgungsspannungsquelle und dem entspreche nden Anschluß des Verstärkers, vorgesehen ist, wobei im zweiten Zustand dem Verstärker ein Potential zugeführt wird« das zwischen den Potentialen der beiden Pole der VersorgungsSpannungsquelle (VA) liegt.

4 - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis mit zwei diskreten Zuständen einen Halbleiterschalter (9,11) und parallel dazu eine Impedanz (10,12) aufweist und daß der Halbleiterschalter von dem zugeordneten Schwellwertverstärker (14,17) in die Sättigung bzw. den Sperrzustand gesteuert wird.

5 - Schaltungsanordnung nach Anspruch 4_r dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (10,12) ein ohmscher Widerstand ist.

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6 - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche I

bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schwellwertverstärlcer (53,55) mit unterschiedlichen Ansprechschv/ellen vorgesehen sind, die über ein Dioden-ODER-Glied (52,54) gemeinsam einen Schaltkreis mit zwei diskreten Zuständen (48) steuern.

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