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Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines sägezahnförmigen Stromes durch eine Spule
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines sägezahnförmigen Stromes durch eine Spule, die eine Gleichspannungsquelle, eine Speiseimpedanz, einen Kondensator, einen Transformator, mit dem die Spule gekoppelt ist, ein Schaltelement und eine Diode enthält, bei der aus der Gleichspannungsquelle über die Speiseimpedanz dem Kondensator zugeführter Ladestrom elektrische Energie im Kondensator anhäuft und bei der das Schaltelement durch ein Steuersignal während der Rücklaufzeit des sägezahnförmigen Stromes entsperrt wird,
wodurch die im Kondensator angehäufte elektrische Energie über einen Strom durch das Schaltelement in im Felde des Transformators und der mit ihm gekoppelten Spule angehäufte magnetische Energie übergeht und bei der durch die umlaufende Energie die mit dem Transformator gekoppelte Diode automatisch während der Hinlaufzeit des Sägezahnstromes entsperrt wird und Mittel vorhanden sind, um das Schaltelement zu sperren, wodurch die im Felde angehäufte magnetische Energie über einen Strom durch die Diode zur Gleichspannungsquelle zurückfliessen kann.
Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der brit. Patentschrift Nr. 815,411 bekannt. In dieser Schal-
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sator angehäuft wird, während des Rücklaufs in das Feld des Transformators und der mit ihm gekoppelten Spule übergeht und während des Hinlaufs über die Diode in die Gleichspannungsquelle zurückfliesst, geht die Zuführung von Energie über einen ersten und die Zurückleitung über einen zweiten Weg. Da in der bekannten Schaltungsanordnung die Zurückleitung der im Felde des Transformators angehäuften Energie ausschliesslich über die mit diesem Transformator verbundene Diode stattfindet, ist es einleuchtend, dass der durch diese Zurückleitung von Energie verursachte Strom nur in einer Richtung fliesst und demzufolge eine betrachtliche Gleichstromkomponente enthalten wird, wodurch das Kernmaterial des Transformators vormagnetisiert wird.
Dies ist unerwünscht, da dann viel Kernmaterial verwendet werden muss, weil durch die Vormagnetisierung nicht im steilen Teil der den Zusammenhang zwischen magnetischer Induktion und magnetischer Feldstärke darstellenden Charakteristik (B-H-Charakteristik) des Kernmaterials gearbeitet werden kann, wodurch nur eine kleinere Änderung der magnetischen Induktion (AB) zur Verfügung steht, weshalb die Abmessungen des Kernes und/oder des Kupfervolumens im allgemeinen grösser werden müssen als ohne Vormagnetisierung. Hiedurch nehmen auch die Streuung und die Verluste des Transformators zu.
Ausserdem ist es üblich, wenn die Spule die der erzeugte sägezahnförmige Strom durchfliesst, die Spule für die Horizontal-Ablenkung in einem Fernsehempfänger ist, die über der Transformatorwicklung wahrend des Rücklaufs des sagezahnförmigen Stromes auftretenden Impulse hinaufzutransformieren und gleichzurichten und zum Speisen der Endanode der Bildröhre und/oder zum Liefern der Fokussierspannung für diese Röhre zu verwenden. Dies bedeutet jedoch Lieferung von Energie, wodurch die erforderlichen Abmessungen des Transformators noch vergrössert werden. Denn in der bekannten Schaltungsanordnung ist der Strom durch den Transformator, der über die Diode zur Gleichspannungsquelle zurückfliesst, für die Zurückleitung von Energie verantwortlich.
Wird die zurückgeleitet Energie kleiner (mehr
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Strahlstrom durch die Bildröhre), so wird der Strom durch die Transformatorwicklung und durch die Diode kleiner. Dieser Strom darf jedoch nicht Null werden, ehe die Hinlaufzeit des sägezahnförmigen Stromes beendet ist, da sonst der Sägezahn verzerrt wird. Daraus ergibt sich, dass bei einer Schaltungsanordnung mit Hochspannungslieferung die Vormagnetisierung bei der Anfangseinstellung (Strahlstrom Null) grösser sein muss als ohne Hochspannungslieferung.
Die Erfindung bezweckt, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, in der keine Vormagnetisierung des Kernmaterials auftritt oder eine derartige Vormagnetisierung gestattet wird, dass beim Liefern einer va- riierenden zusätzlichen Energie durch die Schaltungsanordnung, der Vormagnetisierung durch diese zusätzliche Energielieferung entgegengewirkt wird.
Um dies zu verwirklichen, ist die Schaltungsanordnung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Transformatorkern wenigstens drei Wicklungen angeordnet sind, von denen die erste Wicklung mit der Windungszahl n. von dem Strom durchflossen wird, der die elektrische Energie dem Kondensator zuführt, und in entgegengesetztem Sinne von dem Strom, der die im Felde angehäufte magnetische Energie zur Gleichspannungsquelle zurückleitet, und bei der die zweite Wicklung, mit der Win- dungszah1 n, ausschliesslich vom Ladestrom des Kondensators durchflossen wird und die dritte Wicklung mit der Windungszahl n vom Entladestrom des Kondensators oder vom Entladestrom des Kondensators plus dem Strom, der die magnetische Energie zur Gleichspannungsquelle zurückleitet,
durchflossen wird und bei der alle drei Wicklungen in gleichem Sinne auf den Kern des Transformators aufgewickelt sind, während die Windungszahlen n und n im wesentlichen durch das Verhältnis zwischen Rücklaufzeit und Gesamtperiode des sägezahnförmigen Stromes bestimmt werden und die Gesamtanzahl der Ampèrewindungen des Transformators mittels der Windungszahlen n, nez und n möglichst gering gemacht werden kann.
Einige mögliche Ausführungsformen von Schaltungsanordnungen gemäss der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigt Fig. l die bekannte Schaltungsanordnung in einer etwas abgeänderten Form mit einem Thyristor als Schaltelement. Fig. la ist das Symbol für einen npnp-Thyri-
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Schaltungsanordnung zur Schaltungsanordnung nach der Erfindung zu gelangen. Fig. 7 ist eine magnetische Induktionmagnetische Feldstärke-Charakteristik (B-H-Charakteristik) um den Verlauf der Vormagnetisierung anzugeben, wenn die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 auch zum Erzeugen der Hochspannung für eine Bildröhre in einem Fernsehempfänger verwendet wird.
Fig. 8 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 2, aber mit einem Sparkondensator als Gleichspannungshilfsquelle, Fig. 9 zeigt eine zwei- te Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und Fig. 10 zeigt eine gegenüber Fig. 9 abgeänderte Ausführungsform.
In Fig. l wird die bekannte Schaltungsanordnung, wie diese in Fig. 6 der brit. Patentschrift Nr. 815,411 dargestellt ist, gezeigt mit dem Unterschied, dass statt eines normalen Transformators ein Autotransformator verwendet ist, während auch eine Durchschwingspule L, angeordnet ist, um nach dem Beendigen des Rücklaufs den in dieser Schaltungsanordnung als Schaltelement verwendeten Thyristor T sperren zu können. Der Zweck der Durchschwingspule L, die auch verwendet werden kann, wenn statt eines Thyristors ein Transistor als Schaltelement verwendet wird, ist in einem andern österr. Patent beschrieben.
Diese Erörterung trägt jedoch zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich bei.
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ldessen Basisteil b aus p-Material und dessen Kollektorteil c auch aus p-Material besteht, während sich zwischen dem Basis- und dem Kollektorteil eine Schicht aus n-Material befindet. Der Strom bei einem solchen Thyristor ist vom Kollektor c zum Emitter e gerichtet. Fig. la zeigt das für einen derartigen npnp-Transistor verwendete Symbol.
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ristor fliesst der Strom vom Emitter e zum Kollektor c. Das für einen pnpn-Thyristor verwendete Symbol ist in Fig. lb dargestellt. Es wird einleuchten, dass, wenn ein pnpn-Thyristor statt eines npnp-Thyristors verwendet wird, die Polarität der Speisespannungsquelle und der in der Schaltungsanordnung verwendeten Diode D umgekehrt werden müssen.
Als Basismaterial für Thyristoren wird auch Silizium verwendet, so dass diese Thyristoren gesteuerte Siliziumgleichrichter genannt werden können.
In der Schaltungsanordnung von Fig. 1 ist Ll eine Speisespule, 1 eine Gleichspannungsquelle, die eine
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VoltFernsehempfänger verwendet wird, oder um den Hals einer Aufnahmeröhre, wenn die Schaltungsanordnung in einer Fernsehkamera verwendet wird. Die Spule Ls wirkt dabei als Ablenkspule zum Ablenken des Elektrodenstrahles in der betreffenden Röhre in waagrechter Richtung. Es wird jedoch einleuchten, dass auch eine magnetische Ablenkung eines Elektronenstrahles in einer Kathodenstrahlröhre eines Kathodenstrahloszillographen mit dieser Schaltungsanordnung möglich ist.
Wie schon erwähnt wurde und noch näher erläutert werden wird, wird elektrische Energie im Kondensator Cl angehauft, die wahrend des Rücklaufs über den dann stromführenden Thyrister T, der zu Beginn des Rücklaufs durch das über den Kondensator 5 und den Widerstand 6 zugeführte impulsförmige Steuersignal 7 in den leitenden Zustand versetzt wird, als magnetische Energie im Felde des Transformators 2 und der mit ihm gekoppeltenspule L angehäuft wird. Die angehaufte Feldenergie wird über die wahrend der Hinlaufzeit leitende Diode D zur Gleichspannungsquelle 1 zurückgeleitet.
Hieraus ergibt sich, dass der Strom, der die Feldenergie zur Gleichspannungsquelle 1 zurückleitet, nur über die Primärwicklung des Transformators 2 fliesst, wodurch das Kernmaterial dieses Transformators, auch wenn keine oder im wesentlichen keine Verluste auftreten würden, trotzdem stark vormagnetisiert wird.
Um dies zu verhüten, wird nach der Erfindung die Transformatorwicklung 8 in wenigstens drei Wicklungen geteilt, die auf geeignet gewählte Weise von den verschiedenen Strömen durchflossen werden.
Dies ist in Fig. 2 dargestellt, in der die Wicklung 8 in Wicklungen 8', 8" und 8"', die magnetisch miteinander und mit der Wicklung 4 gekoppelt sind, aufgeteilt ist. An Stelle der Wicklung 8 sind insgesamt drei Wicklungen 8'. 8" und 8'" vorhanden.
Um die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zu erklären, wird auf Fig. 3 hingewiesen, in der die bekannte Schaltungsanordnung von Fig. 1 in etwas anderer Weise dargestellt ist und in der der Thyristor T und die Diode D als Schalter T und D dargestellt sind, wahrend die Gleichspannungsquelle 1 fortgelassen ist und statt deren die durch diese Quelle gelieferte Gleichspannung Vb angegeben ist. Der Kondensator Cl wird wahrend der Hinlaufzeit des sägezahnförmigen Stromes durch einen Strom iCl auf- geladen, der während der Hinlaufzeit, wahrend der der Schalter T geöffnet ist, gleich dem über die Speisespule Ll zugeführten Strom il ist.
Zu Beginn des Rücklaufs wird der Schalter T geschlossen und kehrt iCl seine Richtung um, wobei sich der Kondensator Cl entlädt und seine elektrische Energie als magnetische Energie im Felde des Transformators 2 und der mit ihm gekoppelten Ablenkspule L angehauft wird. Da wahrend der Rücklaufzeit
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Am Ende des Rücklaufs nimmt das Potential des Verbindungspunktes der Diode D mit der Wicklung 8 infolge des sinusförmigen Entladestromes iCl einen derartigen Wert an, dass die Diode D stromführend wird, oder mit andern Worten, dass der Schalter D geschlossen wird. Dann wird der Schalter T geöffnet.
Die magnetische Energie, die im Felde angehäuft war, wird durch den Strom i3 über die Diode D zur Gleichspannungsquelle 1 zurückgeleitet. Gleichzeitig kehrt der Strom iCl wieder um und fliesst in der mit dem Pfeil bezeichneten Richtung, wodurch der Kondensator Cl aufgeladen wird. Da der Strom ic, durch den Kondensator Cl im Mittel Null sein wird, ergibt sich, dass ein mittlerer Strom durch den linken Zweig, der durch die Spule Ll und L2 und den Schalter T gebildet wird, fliessen wird, der, wenn keine Verluste auftreten, gleich dem mittleren Strom durch den rechten Zweig sein wird, der durch die Wicklung 8 und den Schalter D gebildet wird. Der letztgenannte mittlere Strom verursacht die Vormagnetisierung des Kernmaterials des Transformators 2.
Eine erste Stufe, um zur Schaltungsanordnung nach der Erfindung zu gelangen ist in Fig. 4 darge- stellt. In dieser Figur ist die Wicklung 8 des Transformators 2 in zwei Wicklungen 8'und 8"aufgeteilt, die magnetisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen diesen zwei Wicklungen ist der Schalter D angeordnet, wahrend das mit dem Transformator 2 verbundene Ende des Kondensators Cl an den Verbindungspunkt des Schalters D mit der Wicklung 8" gelegt ist. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 ist die gleiche wie diejenige nach Fig. 3, aber diese Zwischenstufe ist erforderlich, um die folgende in Fig. 5 dargestellte Stufe verstehen zu können, bei der das Ende A der Speisespule Ll von der positi-
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ven Klemme zum Verbindungspunkt des Schalters D mit der Wicklung 8'verlegt ist.
Mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 wird schon ein beträchtlicher Vorteil erhalten, was die Vormagnetisierung betrifft. Denn die Wege für die zugeführte und zurückgeleitete Energie sind teilweise in der Wicklung 8'kombiniert, so da der Strom 11'nämlich der mittlere Strom durch die Wicklung 8', wenn keine Verluste in der Schaltungsanordnung auftreten, gleich Null ist. Denn es ist I1 =I2-I3, wobei I2 der mittlere Strom durch den durch die Speisespule L1, die Durchschwingspule L2 und den Schalter T ge-
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se Vormagnetisierung zu entfernen, ist eine letzte in Fig.6 dargestellte Stufe erforderlich.
Diese Stufe besteht darin, dass an Stelle einer Wicklung 8'zwei Wicklungen 8'und 8'" vorgesehen sind und dass der Verbindungspunkt der Diode D mit der Wicklung 8 zur Anzapfung 9 zwischen den Wicklungen 8'und 8'"verlegt ist.
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der durch die Wicklung 8'fliesst, keine Vormagnetisierung verursachen wird.
Da der Strom 12 in entgegengesetztem Sinne die Wicklung 8'"durchfliesst wie der Strom Is die Wicklung 8", wird keine Vormagnetisierung im Transformator auftreten, wenn n, L = n. 1. ist, wobei n2 die Windungszahl der Wicklung 8"'und n. die Windungszahl der Wicklung 8" ist und wobei die Wicklungen 8"'und 8"in gleichem Sinne auf den Transformator 2 aufgewickelt sind. Da in dem Falle, dass
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Wenn aber doch Verluste auftreten, was selbstverständlich in der Praxis der Fall sein wird, so wird die zurückgewonnene Energie kleiner sein als die zugeführte Energie ; Daraus ergibt sich, dass > Is (D und
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soll.
Das Transformationsverhältnis n/(n + n) ist im wesentlichen eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Rücklaufzeit A # und der Gesamtperiodenzeit r des erzeugten sagezahnförmigen Stromes. Dies hängt mit der Tatsache zusammen, dass immer Gleichgewicht zwischen der während der Hinlaufzeit #-## dem Kondensator zugeführten Ladung und der während der Rücklaufzeit A r zurückgeleiteten Ladung bestehen muss. Ist das Transformationsverhältnis n/ (n + nj einmal festgelegt, so hat man durch das Vorhandensein der Wicklung 8'"mit der Windungszahl n2 noch einen zusätzlichen Freiheitsgrad, der dazu verwendet werden kann, die Vormagnetisierung nach Wunsch einzustellen.
Selbstverständlich kann
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Teiles zum Erzeugen der Hochspannung V2 derjenigen gemäss Fig. 6 identisch ist, eine Ablenkschaltung in einem Fernsehempfänger ist die zum Ablenken des Elektronenstrahles in der Bildröhre in waagrechter Richtung dient, und man dieser Schaltungsanordnung gemäss Fig. 2 auch die Hochspannungsspeisung V h für die Bildröhre der Schaltungsanordnung entnehmen will, so muss am Transformator 2 eine zusätzliche Wicklung 10 angeordnet werden, an die ein Gleichrichter 11 angeschlossen ist, der die während der Rück-
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laufzeit A T erzeugten und durch die Wicklung 10 hinauftransformierten Impulse gleichrichtet, so dass eine hohe Gleichspannung V h erhalten wird, die der Endanode der Bildröhre zugeführt wird.
Selbstverständlich nehmen dadurch die in der Schaltungsanordnung auftretenden Verluste bei zunehmendem Elektronenstrahlstrom zu. Man kann die Einstellung dann derart wählen, dass
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weniger Energie zurückerhalten wifd.
Dadurch nin mt auch der Strom I1=I2-I3 zu, so dass die durch die Gleichung 3a dargestellte Einstellung in die durcL-le Gleichung 3 angegebene Einstellung übergeht. Wählt man jetzt die Einstellung der Anzahl der Amperewindungen derart, dass diejenige Einstellung, die durch die Gleichung 3 dargestellt ist, bei den. durchschnittlich auftretenden Elektronenstrahlstrom auftritt, so wird, wenn der Elektronenstrahltrom grösser ist als der mittlere Struif, die Einstellung des Transformators 2 in
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die Wicklung mit Windungszahl n's die dritte Wicklung. Die zweite Wicklung wird durch den Ladestrom i'2 für den Kondensator Cl durchflossen und die dritte Wicklung durch den Entladestrom i'dieses Kondensators.
Dies kann noch mittels der Schaltungsanordnung nach Fig. 10 erläutert werden, die mit derjenigen nach Fig.9identisch ist, in der aber die der Wicklung 14 in Fig. 9 entsprechende Wicklung inForm von
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Wicklungen 14'und 14"ausgebildetden Schaltungsanordnungen gemäss Fig. 9 und 10 nur durch den Entladestrom i'3 des Kondensators durchflossen wird, der die elektrische Energie aus dem Kondensator Cl als magnetische Energie im Felde anhäuft. Wird der Thyristor T gesperrt, so wird i'3 Null, während in den Schaltungen gemäss Fig. 2 und 8 der Strom is während der Hinlaufzeit weiterfliessen kann über die dritte Wicklung 8" und die Diode D zurück zu der ersten Wicklung 8'und der Quelle 1 bzw. dem Kondensator 1".
Jetzt kann während der Hinlaufzeit die im Felde angehäufte magnetische Energie nur über die erste Wicklung 13 und die Diode D zur Quelle 1 zurückfliessen. Daher sind die Windungszahlen nez n'2 und a., abweichend von den Windungszahlen nu, na und n3 aus den Fig. 2 und 8, aber dabei ist das Verhältnis wieder im wesentlichen eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Rücklaufzeit ## und der Gesamtperiodenzeit r des erzeugten sägezahnförmigen Signals.
Wenn keine Verluste auftreten, so gilt auch für die Schaltungsanordnung der Fig. 9 und 10, dass I'2, näm-
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tisierung des Kernmaterials Null sein muss auch
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gelten muss, mit n' > n,.
Wie in Fig. 9 noch dargestellt ist, kann auch hier auf sehr einfache Weise die Hochspannung V. für die Bildröhre erzeugt werden durch Anordnung einer Durchwicklung 10', an die der Gleichrichter 11 an- geschlossen ist. Auch in diesem Fall kann die Anzahl der Ampère-Windungen des Transformators 2 gemäss der Gleichung
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gewählt werden, auch mit n' > n', derart, dass für den mittleren Elektronenstrahlstrom durch die Bildröhre die Einstellung gemäss Gleichung 4a in diejenige gemäss Gleichung 4 übergeht auf entsprechende Weise, wie dies für die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 beschrieben ist.
Es wird einleuchten, dass ausser den dargestellten Ausführungsbeispielen auch andere Schaltungsanordnungen gemäss dem Prinzip der Erfindung verwirklicht werden können. Hauptsache ist nur, dass der verwendete Transformator wenigstens drei Wicklungen aufweist, die in gleichem Sinne auf den Kern aufgewickelt sind, abgesehen von andern Wicklungen, wie z. B. den Wicklungen 4,10 und 10', die für Ankoppelzwecke auf dem Transformator 2 angeordnet sind.
Wie schon oben erwähnt, ist der Transformator 2 an erster Stelle erforderlich, um einen richtigen
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jetzt noch frei die Windungszahl il 2bzw. n'2 wählen, um damit willkürlich die Gleichungen 3,3a, 4 oder 4a zu erfüllen.
Es wird einleuchten, dass auch bei einer andern Konfiguration der Schaltungsanordnung diese Bedingungen erfüllt werden können. So braucht die erste Wicklung mit der Windungszahl n1 bzw. n. 1 nicht im- mer eine einzige Wicklung zu sein. Diese kann in zwei Wicklungen mit gleicher Windungszahl und gleichem Wickelsinn aufgeteilt werden, wobei der Strom, der den Kondensator Cl aufladet, durch die eine und der über die Diode zurückfliessende Strom durch die andere dieser geteilten Wicklungen fliesst.
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Weiter wird noch bemerkt, dass es zu bevorzugen ist, der Speisespule L1 einen möglichst grossen Selbstinduktionswert zu geben. Man erhält dann einen im wesentlichen konstanten Ladestrom i2 bzw. i', was im Zusammenhang mit der umlaufenden Energie am günstigsten ist, da hiebei die wenigsten Verluste auftreten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines sägezahnförmigen Stromes durch eine Spule (L8), die eine Gleichspannungsquelle (1), eine Speiseimpedanz (L), einen Kondensator (C,), einen Transformator (2), mit dem die Spule (Ls) gekoppelt ist, ein Schaltelement (T) und eine Diode (D) enthält, bei der ein aus der Gleichspannungsquelle (1) über die Speiseimpedanz (L1) dem Kondensator (Cl) zugeführter Ladestrom (il) elektrische Energie im Kondensator (Cl) anhäuft und bei der das Schaltelement (T) durch ein Steuersignal (7) während des Rücklaufs des sägezahnförmigen Stromes entsperrt wird, wodurch die im Kondensator (Cl) angehäufte elektrische Energie über einen Strom (iT) durch das Schaltelement (T)
in magnetische Energie übergeht, die im Felde des Transformators (2) und der mit ihm gekoppelten Spule (Ls) angehäuft ist, und bei der durch die umlaufende Energie die mit dem Transformator (2) gekoppelte Diode (D) automatisch während der Hinlaufzeit des sägezahnförmigen Stromes entsperrt wird und Mittel vorhanden sind, um das Schaltelement (T) zu sperren, wodurch die im Felde angehäufte magnetische Energie über einen Strom (i3) durch die Diode (D) zur Gleichspannungsquelle (1) zurückfliessen kann, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Transformatorkern werigstens drei Wicklungen (8', 8"', 8" bzw. 13,14a,
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Verhältnis zwischen der Rücklaufzeit und der Gesamtperiode des sägezahnförmigen Stromes bestimmt werden und die Gesamtanzahlder Ampèrewindungen des Transformators (2) mittels der Windungszahlen (ni, n2 und n3 bzw.
n'1, n'2 und n'3) möglichst gering gemacht werden kann.