Trimmerkondensatoren
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Variabler Kondensator
"Hintergrundwissen"
Variable oder einstellbare Kondensatoren sind elektrische Kondensatoren, deren Kapazität in definierten Grenzen mechanisch stufenlos einstellbar ist. Sie werden unterschieden in Drehkondensatoren, kurz Drehkos genannt und in Trimmkondensatoren, auch Trimmer genannt. Drehkondensatoren, auch Regel- oder Korrektionskondensatoren genannt, sind für häufige und wiederholende Betätigungen ausgelegt z. B. für die manuelle Sendereinstellung in Rundfunkgeräten oder die Motor-gesteuerte automatische Regelung einer Senderfrequenz. Trimmkondensatoren sind für einmalige oder seltene Betätigungen ausgelegt und werden nur bei der Erstinbetriebnahme und ggf. nach Reparaturen zum Abgleich eines Filters oder eines Schwingkreises in z. B. Rundfunk- oder Fernsehgeräten betätigt.
Der Kurzbegriff „Trimmer“, der hier für einen Trimmkondensator steht, kann zu Verwechslungen führen. Er wird im Bereich der Elektronik umgangssprachlich auch noch für „Potentiometer“ verwendet.
Variable Kondensatoren für Kleinsignalanwendungen (Senderwahl und Schwingkreisabstimmung in Rundfunk- und Fernsehempfängern) sind heute weitgehend entweder durch Kapazitätsdioden abgelöst, deren Sperrschichtkapazität durch eine überlagerte Gleichspannung gesteuert wird oder sind durch eine VCO-gesteuerte PLL-Schaltung ersetzt worden.
Der Kapazitätswert eines Kondensators kann grundsätzlich auf drei verschieden Arten beeinflusst werden, durch
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Änderung der kapazitiv wirksamen Elektrodenfläche
-
Änderung des Elektrodenabstands zueinander
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Änderung der Permittivität (Dielektrizitätszahl) des Dielektrikums
Die gewünschte Kapazitätsänderung im überwiegenden Teil der heute noch gefertigten einstellbaren Kondensatoren, sowohl bei den Dreh- als auch bei den Trimmerkondensatoren, beruht auf der Änderung der kapazitiv wirksamen Elektrodenfläche ohne den Abstand der Elektroden zueinander zu ändern. Die Kapazität in dieser Art der einstellbaren Kondensatoren hängt aber auch noch vom verwendeten Dielektrikum ab. Es wurden im Laufe der Zeit u. a. folgende Materialien eingesetzt:
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Dielektrische Materialien in variablen Kondensatoren |
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Dielektrisches- |
Relative Dielektrizitätszahl |
Durchschlagsfestigkeit | |
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1 |
20…500 | ||
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1 |
2…5 | ||
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Schwefelhexafluorid (SF6) |
2 |
8 | |
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7 |
25…200 | ||
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Keramik Klasse 1 |
6…200 |
20 | |
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Hartpapier, Pertinax |
4 |
20…80 | |
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Polystyrol (PS) |
2,5 |
25…200 | |
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Polyester (PET) |
3,3 |
25…580 | |
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Polycarbonat (PC) |
3,0 |
35…535 | |
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Polyethylennaphthalat (PEN) |
3,0 |
25 … 500 | |
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Polypropylen (PP) |
2,2 |
100…650 | |
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Teflon (PTFE) |
2,1 |
100…250 | |
Variable Kondensatoren, die mit dem Prinzip der Änderung des Elektrodenabstandes betrieben werden (Vernier-Kondensator, Ardenne-Quetscher, Quetschtrimmer), sind heute nur noch in Bastlerkreisen bekannt. Variable Kondensatoren, die nach dem Prinzip der Permittivitätsänderung arbeiten, haben in der Praxis nur vereinzelt Anwendungen gefunden.
Trimmkondensatoren
Trimmkondensatoren (kurz Trimmer) sind stufenlos einstellbare variable Kondensatoren, deren Kapazität in definierten Grenzen mechanisch einstellbar sind. Im Gegensatz zu Drehkondensatoren sind sie nicht für häufige Betätigung ausgelegt und werden nur zur Erstinbetriebnahme und ggf. nach Reparaturen betätigt, z. B. zum Abgleich eines Filters oder eines Schwingkreises in Rundfunk- oder Fernsehgeräten. Die Kapazitätsänderung erfolgt hier durch Veränderung der kapazitiv wirksamen Fläche. Als Dielektrikum wird Luft (Luftplatten- und Tauchtrimmer), Kunststofffolie, (Folientrimmer) und Keramik (Draht-, Rohr-, Scheiben- und SMD-Trimmer) verwendet.
Trimmer, bei denen die Kapazität im Wesentlichen durch Änderung des Plattenabstands einstellbar ist (Quetschtrimmer), haben als handelsübliche Bauelemente nur noch bei Sammlern historischer Radios eine gewisse Bedeutung.
Trimmkondensatoren können oft nur mit einem isolierenden (HF-neutralen) Werkzeug, meist einem Plastik-Schraubendreher, eingestellt werden, da Metall die Kapazität verändern würde. Wichtig für alle Trimmer ist, dass die einmal eingestellte Kapazität durch Erschütterungen nicht verändert wird. Deshalb wird oft nach dem Abgleich die Welle, über die der Kapazitätswert eingestellt wurde, zur Festsetzung mit Lack fixiert.
Die Kapazitätswerte eines Trimmers liegen üblicherweise zwischen 1,2 und 60 pF. Es gibt auch Spreizkondensatoren bis 600 pF/30 kV, die den früheren Glimmer-Quetschtrimmern nachempfunden sind. Für kleine Kapazitätswerte (z. B. in UHF-Empfängern) werden oft nur Drahtenden oder Blechstreifen mehr oder weniger zueinander gebogen oder isolierte Drahtenden mehr oder weniger miteinander verdrillt, um den korrekten Kapazitätswert zu erhalten.
Trimmkondensatoren für den Abgleich in Rundfunk- und Fernsehgeräten sind heute weitgehend entweder durch Kapazitätsdioden abgelöst worden oder aber sie werden in den modernen Empfängern, die mit einer Ein-Chip-IC-Lösung arbeiten, durch präzise Frequenzeinstellungen mit z. B.Schwingquarzen nicht mehr benötigt.
Luftplattentrimmer
Luftplattentrimmer sind eine recht früh entwickelte Bauform von einstellbaren Kondensatoren. Sie sind ähnlich den oben beschriebenen Luft-Korrektionskondensatoren aufgebaut und bestehen aus einem „Stator“, einem Paket feststehender, auf Abstand gesetzter Halbkreis-Metallscheiben und einer gleichen Anzahl von Halbkreis-Metallscheiben auf einer Welle (Rotor), die durch Betätigen der Welle kammförmig ineinander gedreht werden. Als Dielektrikum dient Luft. Im Gegensatz zu Drehkondensatoren besitzen Luftplattentrimmer einen Sockel, meist aus Keramik, der auf einer Leiterplatte oder in einen Montagewand angebracht werden kann (Einlochmontage). Die Rotorführung in diesem Sockel erfolgt nicht in einem Kugellager, sondern lediglich in einer Metallbuchse. Luftplattentrimmer haben wegen der geringen Permittivität von Luft relativ große Abmessungen. Sie wurden Ende der 1950er Jahre von den Kunststoff-Folientrimmern ersetzt und haben heute nur noch historische Bedeutung.
Tauchtrimmer
Eine weitere konstruktive Lösung für den Aufbau von Trimmkondensatoren mit Luftdielektrikum waren die sogenannten Tauchkondensatoren oder Tauchtrimmer. Sie bestanden aus konzentrischen zylinderförmigen Elektroden, die mit Hilfe eines Gewindes auf der zentralen Achse der Rotor-Elektrode ineinander geschoben wurden. Sie dienten hauptsächlich zum Abgleich von Schwingkreisen. Die Linearbewegung des eintauchenden Teils gestattete eine erste (mechanische) Lösung eines Programmwahlschalters, um mit einem Tastensatz mittels voreingestellter Kapazitäten verschiedene Sender anzuwählen. Nachteilig war die mangelhafte mechanische Genauigkeit und der geometrisch bedingte lineare Kapazitätsverlauf, der den Schwingkreisgesetzen nicht entgegenkommt. Diese interessante Lösung hatte bis in die 1970er Jahre Bestand,wurde jedoch wie andere Trimmerkonstruktionen auch mit der Entwicklung der Kapazitätsdioden nicht mehr benötigt. Das Prinzip hat sich jedoch bei Vakuum- und SF6-Schutzgaskondensatoren mit variabler Kapazität erhalten.
Kunststoff-Folientrimmer
Mit der Entwicklung von Kunststoffen in der organischen Chemie nach dem Zweiten Weltkrieg wurde das Hartpapierdielektrikum der variablen Kondensatoren durch dünnere und spannungsfestere Kunststoff-Folien ersetzt. Anfang der 1960er Jahre wurden diese Kunststoff-Folientrimmer von Valvo/Philips entwickelt und in Rundfunkgeräten eingesetzt. Sie sind ähnlich den Drehkondensatoren aufgebaut, bei denen die kapazitiv wirksame Fläche verändert wird.
Folientrimmer, verschiedene Bauformen
Diese Trimmer wurden für unterschiedliche Anforderungen mit unterschiedlichen Kunststofffolien hergestellt. Für Standardanwendungen in Heimgeräten kamen Polyäthylenfolien (PEN) und Polypropylenfolien (PP) zum Einsatz, für professionelle Anwendungen wurden auch Kunststoff-Folientrimmer mit Teflonfolie (PTFE) hergestellt. Maximal einstellbare Kapazitätswerte waren 3,5 bis 100 pF. Durch die Verwendung des Kunststofffolien-Dielektrikums mit der höheren Permittivitätszahl und der höheren Spannungsfestigkeit konnten Kunststoff-Folientrimmer gegenüber Lufttrimmern deutlich kleiner werden. Außerdem wurden sie von Anfang an für Leiterplattenmontage konzipiert. Die Lötanschlüsse, zwei für den Rotor und einen für den Stator, ergaben eine 3-Loch-Befestigung. Dadurch besaßen sie eine fixierte Position im Gerät. Mit diesen Trimmern wurde später ein Abgleich mit Hilfe von Automaten möglich.
Drahttrimmer
In der Anfangszeit der Empfängertechnik kamen neben den Quetsch-Trimmkondensatoren auch sogenannte Drahttrimmer zum Einsatz. Sie entsprachen in ihrem Aufbau weitgehend den damaligen keramischen Rohrkondensatoren. Das innen metallisierte Keramikröhrchen war außen anstatt der zweiten Metallisierung mit einer Drahtwicklung versehen. Dieser Draht konnte nur abgewickelt aber nicht mehr wieder aufgewickelt werden. Mit dieser Methode konnte eine Einstellgenauigkeit von bis zu 0,2 % erreicht werden.
Keramik-Scheibentrimmer
Während bei den Quetschtrimmern die Keramik-Grundplatte lediglich als stabiler, isolierender Sockel diente, wird sie bei den Keramiktrimmern auch als Dielektrikum verwendet. Mit Eigenschaften wie z. B. Permittivitätszahlen bis zu 200 für Klasse-1-Keramiken verbunden mit hoher Güte und präzise wählbaren Temperaturkoeffizienten für die Kapazität bietet Keramik beste Möglichkeiten, sowohl das Bauteil zu verkleinern als auch den Temperaturverlauf der Kapazität den Anforderungen anzupassen. Durch die gute Formbarkeit der Keramikmasse im Rohzustand konnte die Bauform den Geräteforderungen angepasst werden und nicht zuletzt konnte mit Keramik das teure Glimmer preiswert ersetzt werden.
Keramische Scheibenkondensatoren wurden schon Mitte der 1930er Jahre entwickelt. Sie bestehen aus einer keramischen Grundplatte, auf deren geschliffener Oberfläche eine halbkreisförmige Metallisierung den Stator bildet. Eine drehbare und unten ebenfalls geschliffene Keramikscheibe, die oben eine halbkreisförmige Metallisierung trägt, bildet den Rotor. Die Keramik dieses Rotors bildet das Dielektrikum. Ein Schleifkontakt kontaktiert den Rotor mit dem entsprechenden Lötanschluss.
Keramik-Scheibentrimmer wurden aus Klasse-1-Keramiken hergestellt, das sind paraelektrische Keramiken mit feldstärkeunabhängiger Dielektrizitätszahl und linearer Temperaturabhängigkeit der Kapazität. Diese mit präzisen Temperaturverläufen behafteten Scheibentrimmer wurden zu beliebten Abgleichkondensatoren, weil sie zu temperaturstabilen Oszillatorfrequenzen beitrugen.
Keramische Rohrtrimmer
Keramische Rohrtrimmer wurden, wie die Scheibentrimmer, in den 1930er Jahren entwickelt. Sie sind im Grunde genommen eine Weiterentwicklung der Keramik-Rohrkondensatoren, die seinerzeit die Entwicklung der Rundfunkempfänger stark beschleunigten. Bei diesen Trimmern wird eine Metallspindel, die über eine Kontaktfeder elektrisch mit dem Rotoranschluss verbunden ist, in ein Keramikröhrchen hineingedreht, das einen metallischen Außenbelag mit dem Statoranschluss trägt. Dadurch ändert sich die kapazitiv wirksame Fläche und damit die Kapazität.
Keramische Rohrtrimmer haben ein geschichtetes Dielektrikum, das sich aus dem Keramikmaterial des Röhrchens und dem Luftspalt zwischen Keramikrohr und Metallspindel zusammensetzt. Die Stabilität einer eingestellten Kapazität wird vorwiegend durch den Luftspalt zwischen Spindel und Keramikröhrchen bestimmt. Zur Erreichung verschiedener elektrischer TK-Werte werden Spindelmaterialien (Messing, Invarstahl) verwendet, die durch ihre Ausdehnungskoeffizienten, in Verbindung mit dem elektrischen TK des Keramikröhrchens, diese Werte bestimmen.
Keramischen Rohrtrimmer sind frei von jeglichem Mikrophonieeffekt. Sie lassen sich aufgrund des wirksamen Drehwinkels der Spindel, der ein Mehrfaches von 360° beträgt, recht präzise einstellen und sind aufgrund ihres einfachen und stabilen Aufbaus relativ unempfindlich gegen Schock- und Vibrationsbeanspruchung. Für den Abgleich in professionellen Geräten werden sie auch heute noch hergestellt. Es gibt sie in vielen, für spezielle Anforderungen und Einsatzgebiete geeigneten Ausführungsformen. Die maximal einstellbaren Kapazitätswerte reichen von 1,8 bis 15 pF.
Multiturn-Trimmer
Eine Weiterentwicklung der keramischen Rohrtrimmer sind die "Multiturn-Trimmer". Sie bestehen aus einer dünnen äußeren Metallhülse, dem Stator, der mit Kunststoffkappen mit Innengewinde versehen ist. In diesen kann eine zweite, hohle Metallhülse bzw. ein Metallkolben, der vorn eine Kunststoffkappe als konzentrischen Abstandshalter besitzt, hineingedreht oder hineingeschoben werden.
Vorteil dieser Bauart ist die geringe Masse der gesamten Konstruktion. Sie sind deshalb recht unempfindlich gegenüber Stoß- und Vibrationsbeanspruchungen. Diese Trimmer besitzen entweder ein Luftdielektrikum (Lufttrimmer) oder sie können auf der Innenseite der Statoren mit verschiedenen dielektrischen Materialien ausgekleidet werden:
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Teflon für Frequenzen bis 5 GHz oder für hohe Spannungsfestigkeit
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Glas- oder Quarz für höhere maximal einstellbare Kapazitätswerte bis 250 pF
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Saphir für sehr niedrige Verluste (hohe Güte) bei hohen Frequenzen
Sie werden in vielen unterschiedlichen Anschlussversionen angeboten, für Lötloch-Leiterplattenmontage, für SMD-Montage oder für Einlochbefestigung.
Multiturn-Lufttrimmer eignen sich für Applikationen im VHF-, UHF- und Mikrowellen-Frequenzbereich und dienen der Frequenzanpassung von Oszillatoren, Frequenzfiltern in Radargeräten, in TV-Tunern sowie für militärische und Luftfahrt-Anwendungen. Sie werden mit einstellbaren maximalen Kapazitätswerten von 0,6 bis 16 pF angeboten und können die Anforderungen der militärischen Norm MIL-C-14409D erfüllen
SMD-Trimmer
Die moderneren Bauformen von Trimmerkondensatoren sind oberflächenmontierbar. Diese SMD-Trimmer (SMD = Surface Mounted Device), hier insbesondere die Keramik-SMD-Trimmer, sind eine Weiterentwicklung der Keramik-Scheibentrimmer. Sie haben eine keramische Grundplatte, die jedoch ähnlich den Vielschicht-Keramikkondensatoren schichtartig aufgebaut ist. Der Stator ist eine halbkreisförmig metallisierte Schicht innerhalb der monolithischen Grundplatte. Die Rotorelektrode ist eine drehbar montierte Metallscheibe mit halbkreisförmigen Profil, die mittels Federkontakten auf die Grundplatte gedrückt wird. SMD-Trimmer für Wellenlötung sind gekapselt, um Verschmutzungen während des Lötprozesses zu vermeiden. Trimmer für Reflow-Lötung können etwas einfacher geschützt sein.
Keramik-SMD-Trimmer werden mit Klasse-1-Keramiken mit maximal einstellbaren Kapazitätswerten von 1 bis 50 pF hergestellt. Ihr Einsatzbereich ist im Wesentlichen gleich dem von bedrahteten Keramik-Trimmern.
SMD-Abgleichkondensatoren
Bei allen oben beschriebenen Dreh- und Trimmerkondensatoren wird der gewünschte Kapazitätswert mechanisch eingestellt. In modernen elektronischen Geräten werden aber große Anstrengungen unternommen, um mechanische Vorgänge zu vermeiden. Diesem Trend folgend wurden, um Abgleichvorgänge zu ermöglichen, SMD-Abgleichkondensatoren entwickelt, deren Kapazitätswert durch gezieltes Wegbrennen von Flächenanteilen einer offen zugänglichen Elektrode einstellbar ist.
Die SMD-Abgleichkondensatoren, bei denen die Metallisierung der obersten Elektrode offen zugänglich ist, basieren auf dem Herstellungsprinzip von Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (MLCC-Keramikkondensatoren). Die Metallisierung der obersten Elektrode kann mit Hilfe eines präzise steuerbaren Laserstrahles schrittweise verdampft werden. Damit lässt sich gezielt ein Kapazitätswert, der je nach Typ bei etwa 20 pF beginnt, bis runter auf etwa 0,5 pF mit einer sehr großen Genauigkeit einstellen.
Mit diesem einstellbaren Kapazitätsbereich werden die SMD-Abgleichkondensatoren für Abgleichzwecke in Oszillatoren und Frequenzfiltern sowie zur Impedanzanpassung von Antennenkreisen für Frequenzen von 100 MHz bis 2 GHz eingesetzt. Die Gütewerte Q dieser Abgleichkondensatoren hängen ab von der verwendeten Keramikart und bewegen sich im Bereich zwischen 60 und 600. Die Baugrößen dieser SMD-Chip-Bauformen reichen von 0603 bis 1210. Sie können somit mit üblichen Pick-and-Place Bestückungsautomaten automatisch bestückt werden. Ein weitere Vorteil dieser SMD-Abgleichkondensatoren ist, dass sie nicht gegen Verschmutzungen von eventuell eingesetzten Fluxmitteln geschützt werden müssen und auch unempfindlich gegen mechanischen Belastungen wie Stoßen oder Vibrationen sind.
Variable Kondensatoren, wichtige Kennwerte
Üblicherweise wird bei Kondensatoren für das jeweilige dielektrische Material immer eine physikalisch bedingte definierbare Spannungsfestigkeit bzw. Durchschlagsspannung pro Dicke des Materials angegeben. Dies ist bei variablen Kondensatoren aus mehreren Gründen nicht so ohne weiteres möglich. Bei Dreh- und Trimmerkondensatoren mit Luftdielektrikum hängt die Durchschlagsspannung von der jeweiligen Luftfeuchte ab. Bei keramischen Dielektrika kann die Durchschlagsspannung einer keramischen Schicht in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Elektrodenmaterials und der Sinterbedingungen bis zum Faktor 10 variieren.
Der meist offenen Aufbau von variablen Kondensatoren mit Luftdielektrikum kann aber auch noch während des Betriebs verschmutzen. Staub beeinflusst die Spannungsfestigkeit aber zum Negativen. Um eine möglichst große Sicherheit im Betrieb zu erreichen, wird die Spannungsfestigkeit von einstellbaren Kondensatoren deshalb mit der "Prüfspannung" spezifiziert. Die Betriebsspannung von Dreh- oder Trimmerkondensatoren sollte 50 % der Prüfspannung nicht überschreiten.
Ohmsche Verluste, Güte Q, Verlustfaktor tan δ und ESR
Die ohmschen Verluste eines variablen Kondensators setzen sich zusammen aus dem Zu- und Ableitungswiderstand, dem Übergangswiderstand der Elektrodenkontaktierung, dem Leitungswiderstand der Elektroden, den dielektrischen Verlusten im Dielektrikum sowie parallel dazu dem Isolationswiderstand des Kondensators.
Im Allgemeinen werden die ohmschen Verluste eines Kondensators mit dem RESR, meist kurz ESR (Äquivalenter Serienwiderstand) genannt, oder dem Verlustfaktor tan δ angegeben. Bei den heutzutage für HF-Applikationen noch eingesetzten Multiturn- und SMD-Trimmkondensatoren, den SMD-Abgleichkondensatoren und für variable Vakuumkondensatoren wird an Stelle des Verlustfaktors oft der Kehrwert des Verlustfaktors, die "Güte Q" oder der "Gütefaktor" spezifiziert. Ein großer Wert der Güte entspricht einer kleinen Bandbreite B bei der Resonanzfrequenz f0 des Kondensators. Da der Verlauf der Impedanzkurve im Resonanzbereich umso steiler ist, je kleiner der tan δ ist, bieten große Zahlenwerte einer großen Güte eine anschaulichere Aussage über die ohmschen Verluste des Kondensators.
Die besten Werte der Güte Q besitzen die Luft-Drehkondensatoren, die Luft-Korrektionskondensatoren (Luftplattentrimmer) und die variablen Vakuumkondensatoren. Es werden in den jeweiligen Datenblättern Gütewerte bei 1 MHz von 1000 bis 8000 oder sogar noch höher spezifiziert. Sehr hohe Gütewerte um die 5000 bei 1 MHz weisen auch die Multiturntrimmer auf. Im Vergleich dazu weisen alle Trimmerkondensatoren, die mit Keramikmaterialien aufgebaut sind, bestenfalls Güten von etwa 300 bis 600 auf.
Schaltzeichen
Der Pfeil in den Schaltzeichen der Drehkondensatoren soll die ständige Bereitschaft des Bauteils für einen Einstellvorgang andeuten. Das Schaltzeichen für Drehkondensatoren findet auch für Korrektionskondensatoren Verwendung.
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