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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung, insbesondere
für eine
in einem Kraftfahrzeug befindliche Last, die eine Taktschaltung
zur Erzeugung von Signalen und dieser nachgeschalteter LC-Filter
umfaßt.
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In
der 1 ist eine solche Schaltung dargestellt, bei der
es sich um eine Schaltung zur Pulsbreitenmodulation (PWM im englischen
Sprachgebrauch) handelt, die typischerweise aus einer Versorgungsquelle 5 besteht,
die eine Versorgungsspannung (Batteriespannung) Vbat liefert,
gefolgt von einem Tiefpaßfilter 10,
dann einer Taktschaltung 15 mit zwei Ausgängen A und
B sowie Filterkreisen F1, F2, die mit diesen beiden Ausgängen A und
B verbunden sind. Die Anschlußklemmen
einer Last CH sind mit den Ausgängen
C und D der Filter F1 und F2 verbunden.
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Die
Taktschaltung 15 (oder Wandler), die typischerweise durch
eine Brücke
von Schaltern gebildet wird, welche eine bidirektionale Taktspannungsquelle
bilden (hier eine H-förmige
Brücke),
liefert an den beiden Ausgängen
A und B zwei Signale von variabler Impulsbreite.
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Die
Filterkreise F1 und F2 dienen zur Reduzierung des elektromagnetischen
Rauschens (CEM in Englisch), das durch die Taktung (Taktrauschen) entsteht,
insbesondere dann, wenn die Last CH von der Taktschaltung 15 weit
entfernt ist (dieser Filtertyp wird ebenfalls am Eingang des Wandlers
verwendet).
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Die
Last CH wird von einem Strom I (Laststrom) durchflossen, bei dem
es sich im wesentlichen um einen Gleichstrom handelt, obgleich er
in Abhängigkeit
vom Vorzeichen einer Steuerspannung in bestimmten Anwendungen auch
in der entgegengesetzten Richtung fließen kann.
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Bei
einem ersten typischen Beispiel werden sowohl F1 als auch F2 durch
ein LC-Glied gebildet (wie dieses in 2 für F1 dargestellt
ist), in dem die Spule L1 einen Ausgang der Leistungsschaltung 15 mit
einer Anschlußklemme
der Last CH verbindet, und in dem der Kondensator C1 die selbe Anschlußklemme
der Last CH mit der Masse verbindet.
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Diese
bekannten Schaltungen sind wenig befriedigend, insbesondere, wenn
die Last CH aus beiden Richtungen mit Strom versorgt werden soll, wie
dieses zum Beispiel bei Elektromotoren in manchen Anwendungen der
Fall ist; denn der Laststrom I kann einen genügend hohen Wert annehmen, um
die Spule L1 zu sättigen,
deren Induktivität
dann vermindert wird, wodurch das LC-Glied nicht wie ein Filter wirkt. Es
entsteht dann elektromagnetisches Rauschen, das besonders an den
Anschlußklemmen
der Last CH festzustellen ist.
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Weiterhin
ist der Kondensator C1 dann direkt mit dem Ausgang der Schaltung 15 verbunden,
und vermindert dadurch dessen Wirkungsgrad, und aufgrund dessen,
daß die
zerhackte Spannung Rechteckimpulse hoher und niedriger Amplitude
und verschiedener Breite aufweist, kann sich der Kondensator C1
vollständig
aufladen.
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Aus
diesem Grunde ist es häufig
notwendig, die Kapazität
des Kondensators C1 zu begrenzen. Aber in diesem Fall weist der
Filter eine erhöhte
Impedanz auf und, da er mit der Last CH in Reihe geschaltet ist,
bildet einen Spannungsteiler. Infolge dessen erzeugt der Wandler
auch in diesem Fall ein elektromagnetisches Rauschen an den Anschlußklemmen
der Last CH.
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Es
wurde vorgeschlagen, Spulen mit einer höheren Induktivität zu verwenden.
Diese sind aber kostspielig, sperrig, und führen mehr Wärme ab. Mit einem Sättigungsstrom
von 15 bis 20 A kann die Induktivität einen Wert von 10 μH annehmen,
und die Kapazität
einen Höchstwert
von 20 μF.
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Aus
der
US 4,968,948 ist
es bereits bekannt, ein LC-Glied am jeweiligen Ausgang der beiden Zweige
einer solchen Taktschaltung anzuordnen, und die Spulen der beiden
Schaltungen um einen und den gleichen Kern zu wickeln (
3).
Jede Spule wird dann von einem Strom durchflossen, dessen Mittelwert
in etwa gleich dem Laststrom ist. Die Spulen induzieren also mittlere
Magnetfelder entgegengesetzter Richtungen und etwa gleicher Werte, und
dies unabhängig
von der Richtung des Laststroms. Die Magnetfelder heben sich also
gegenseitig auf, wobei der Wert des mittleren Flusses Null ist, und
schützen
so die Spulen vor einer Sättigung.
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Dieser
Schaltungstyp wird insbesondere dann verwendet, wenn es sich um
eine induktive Last handelt, und der gemeinsame Kern zum Beispiel
ein Ringkern ist. In einer solchen Anordnung ist es erforderlich,
einen Kondensator auf jede Seite der Last vorzusehen.
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Eine
solche Anordnung erfordert komplexe Anpassungen und eine große Anzahl
von Komponenten. Sie bleibt also sehr kostspielig.
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Ferner
ist aus der
US 3,968,465 eine
Drossel mit einer um einen Weicheisenkern gewickelten Spule bekannt,
wobei der Weicheisenkern einen Schlitz aufweist, in dem mehrere
Permanentmagnete angeordnet sind, um eine magnetische Sättigung
in dem Eisenkern bei stromdurchflossener Spule zu vermeiden.
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Schließlich ist
aus der
GB 2 248 348 ein Gleichstrom-Elektromotor
mit Permanentmagnet bekannt, der zur Entstörung im Bürstengehäuse zwei Drosseln und drei
Kondensatoren verwendet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen
Nachteile zu vermeiden, das heißt,
eine Steuer- und Taktschaltung, mit Filtern stromaufwärts oder
stromabwärts,
vorzuschlagen, die preisgünstig
sein und eine effiziente Filterung bewirken soll.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Steuerschaltung, insbesondere für eine Last
in einem Kraftfahrzeug, die eine Taktschaltung zur Erzeugung von
Signalen und dieser nachgeschaltete LC-Filter umfaßt, wobei
die Taktschaltung derart aufgebaut ist, dass ein zerhacktes Signal
zwei Ausgängen
zuführbar
ist, welche jeweils über
die LC-Filter mit der Last verbind bar sind, und wobei jeder der
Induktivitäten der
beiden LC-Filter mindestens eine eigene Vorrichtung zugeordnet ist,
welche die entsprechende Induktivität in einer vorgebbaren Richtung
polarisiert, derart, dass bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Steuerschaltung
bei einem von einem Ausgang der Taktschaltung zu der Last fließenden Laststrom
die Induktivität
vor einer Sättigung
geschützt und
bei einem von der Last zu einem Ausgang der Taktschaltung zurückfließenden Laststrom
eine Sättigung
der entsprechenden Induktivität
bewirkt wird.
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Weitere
Merkmale, Zwecke und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung vorgestellt, welcher die beigefügten Zeichnungen
zugrunde legen. Dabei zeigt:
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die 1 eine
Schaltung nach dem Stand der Technik;
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die 2 eine
erste Variante eines Filterkreises nach dem Stand der Technik;
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die 3 eine
zweite Variante eines Filterkreises, mit gemeinsamem Kern, nach
dem Stand der Technik;
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die 4 eine
erste Variante eines Filterkreises gemäß Erfindung;
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die 5 den
Verlauf der Steuersequenzen der Transistoren einer H-Brücke gemäß Erfindung;
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die 6 eine
H-Brücke
gemäß Erfindung in
einer ersten Phase mit einem in einer ersten Richtung fließenden Laststrom;
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die 7 die
gleiche H-Brücke
in einer anderen Phase dar, in welcher der Laststrom die entgegengesetzte
Richtung hat;
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die 8 eine
zweite Variante eines Filterkreises gemäß Erfindung;
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die 9 eine
dritte Variante eines Filterkreises gemäß Erfindung;
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Die
Schaltung, deren Beschreibung folgt (hier eine Schaltung mit Pulsbreitenmodulation),
ist allgemein wie die in 1 dargestellte Schaltung strukturiert,
wobei die Bezugsnummern für
die ähnlichen,
bereits beschriebenen Elemente gleich bleiben.
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Außerdem wird
nur der Filter F1 beschrieben, da der Filter F2 identisch ist. Wie
in 4 beschrieben, ist der Filter F1 nochmals ein
LC-Glied, in dem die Spule L1 den Ausgang A der Leistungsschaltung 15 mit
einer Anschlußklemme
C der Last CH verbindet. Die selbe Anschlußklemme ist mit der Masse über den
Kondensator C1 verbunden.
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Eine
Hilfswicklung Laux ist zusammen mit der Spule
L1 um einen gemeinsamen Magnetkern N gewickelt.
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Die
Hilfswicklung Laux wird durch einen Strom Iaux von der Last CH aus in Richtung Leistungsschaltung 15 ununterbrochen
durchflossen. Diese Hilfswicklung erzeugt daher ein Feld, das dem
von der Spule L1 erzeugten Feld entgegensetzt ist, da diese Spule
L1 von einem Laststrom I durchflossen wird, der von der Leistungsschaltung 15 zur
Last CH hin strömt.
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Die
Spule L1 ist auf diese Weise in eine Richtung vorpolarisiert, wobei
der Schwellenwert erhöht wird,
ab welchem ein solcher Strom I, der in Richtung Ausgang fließt, die
Spule L1 sättigt.
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Da
die Last in diesem Fall stark induktiv ist, hat man hier einen besonders
stabilen Laststrom.
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Der
Strom Iaux ist an dieser Stelle ein Strom, der
die gleiche Richtung und die gleiche Stärke im Zeitverlauf beibehält, und
zwar so, daß die
Spule L1 dagegen viel leichter durch einen Laststrom I in entgegengesetzter
Richtung, das heißt,
von der Last CH kommend und zur Leistungsschaltung 15 fließend, gesättigt werden
kann.
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Umgekehrt
reduziert also dadurch die Vorpolarisation den Schwellenwert, ab
dem ein Rückstrom I
die Spule zu sättigen
vermag.
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Diese
Eigenschaft ist in der vorliegenden Schaltung ausgenutzt worden.
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Da
eine gleiche Spule L1 bei einem austretenden Strom eine erhöhte Induktivität (da nicht
gesättigt),
und bei einem eintretenden Strom eine schwache Induktivität (da gesättigt) aufweist,
erhält man
bei der Arbeitsfrequenz eine effiziente Filterung in einer Richtung
und eine praktisch direkte Verbindung der Last CH mit der Leistungsschaltung 15 in der
anderen Richtung.
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Ein
gleicher Filter weist daher stromaufwärts eine hohe Impedanz (Eingangsimpedanz),
und stromabwärts
eine niedrige Impedanz (Ausgangsimpedanz) auf.
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Zur
Vereinfachung: Solange der Laststrom I in Pfeilrichtung der 1 fließt, das
heißt,
vom Filter F1 zum Filter F2, ist der Filter F1 aktiviert (da ungesättigt),
und der Filter F2 weist eine minimale Impedanz auf (da gesättigt).
Der Filter F2 wirkt daher nicht als Spannungsteiler gegenüber dem
Ausgang von Filter F1. Der Filter F1 ist deshalb besonders effektiv, mit
einer besonders hohen Energieausbeute.
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Zudem
ist vorgesehen, daß von
den Ausgängen
A und B der Leistungsschaltung 15, die Spannung nur an
demjenigen, der einen Austrittsstrom mittlerer Stärke liefert,
zerhackt wird, wobei der Ausgang mit dem Eintrittsstrom über die
Taktschaltung 15 und die Kondensatoren mit der Masse verbunden ist.
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Auf
diese Weise ist an einem Ausgang der Leistungsschaltung ununterbrochen
eine zerhackte Spannung, und der andere Ausgang mit der Masse verbunden.
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Eine
solche Anordnung ist leicht zu realisieren, indem man die Filter
F1 und F2 mit diagonal angeordneten Anschlußklemmen gegenüber der H-Brücke verbindet,
sowie mit einer Sequenzierung der Steuerspannungen der Transistoren
der H-Brücke,
wie in 5 dargestellt.
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5 zeigt
vier Steuersignale der vier Transistoren T1, T2, T3, T4 einer H-Brücke gemäß 6 und 7.
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In
diesen Abbildungen ist die Brücke 15 eine klassische
H-Brücke,
in welcher der horizontale Balken die Last CH und die Filterkreise
F1 und F2 in Reihenschaltung trägt,
und jeder vertikale Zweig zwei Transistoren trägt, die sich jeweils auf beiden
Seiten einer Anschlußklemme
eines Filters befinden, wobei einer der Transistoren diese Anschlußklemme
mit der Masse, und der andere diese Anschlußklemme mit der Versorgungsspannung
verbinden kann.
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In
der ersten Phase des in 5 dargestellten Verlaufs schalten
die Transistoren T1 und T2 des linken Zweigs in Phasenverschiebung,
wohingegen der Transistor T4 auf dem anderen Zweig, welcher die
Masse mit der entsprechenden Klemme des Filters F2 verbindet, ruht
und geschlossen bleibt. Der Transistor T3, der sich zwischen dieser
Klemme und der Versorgungsspannung befindet, ist seinerseits offen.
Somit wird der links angeordnete Filter F1 von einer zerhackten
Spannung versorgt, wohingegen der rechts angeordnete Filter F2 mit
der Masse über die
H-Brücke
verbunden ist. Ein Strom I durchfließt dann die Last CH von links
nach rechts.
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In
der zweiten Phase der 5 ruhen die Transistoren T1
und T2 des linken Zweiges, der Transistor T2 auf der Masseseite
ist geschlossen, während
der andere Transistor T1 auf der Versorgungsseite geöffnet ist
und den Filter F1 mit der Masse verbindet. Die Transistoren T3 und
T4 des rechten Zweiges schalten ihrerseits in Phasenverschiebung
und liefern über
den Filter F2 eine zerhackte Spannung. Ein Strom I durchfließt dann
die Last CH von rechts nach links.
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Wie
in 5 dargestellt, muß man bei entsprechenden Schaltvorgängen zwischen
den beiden Transistoren eines Zweiges darauf achten, daß eine geringe
Totzeit t zwischen den Steuersignalen der Schaltvorgängen der
beiden Transistoren eingehalten wird, wobei diese Totzeit t einem
Zwischenzustand entspricht, in dem die beiden Transistoren des Zweiges
jeweils ein Steuersignal zum Öffnen
empfangen. Man stellt auf diese Weise sicher, daß kein Kurzschluß zwischen
der Versorgung und der Masse, trotz Verzögerung eines der beiden Transistoren zwischen
dem Empfang seines Öffnungssignals
und seiner tatsächlichen Öffnung,
erzeugt werden kann.
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Die
Spannung an den Anschlußklemmen
der Last CH und die Stromstärke
in der Last CH verhalten sich proportional zum Verhältnis der
Dauer der "hohen" Rechteckimpulse
zur Dauer der "niedrigen" Rechteckimpulse
im betrachteten Augenblick. Die Stromstärke ist also um so höher, je
länger
die hohen Rechteckimpulse im Verhältnis zu den niedrigen Rechteckimpulsen
breit sind an dem Ausgang, wo die zerhackte Spannung geliefert wird.
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Das
Verhältnis
der Breite der Rechteckimpulse ist, mittels einer nicht dargestellten
Steueranordnung, proportional einer Steuerspannung V. Darüber hinaus,
je nachdem, ob V positiv oder negativ ist, liegt die zerhackte Spannung
an A oder B.
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Über die
erhöhte
Energieausbeute hinaus wird das elektromagnetische Rauschen dadurch
besonders reduziert, daß es
nur an einer der Anschlußklemmen
der Schaltung 15 erfolgt. Was das elektromagnetische Rauschen
betrifft, wird die Effektivität des
aktiven Filters des weiteren durch die Masseverbindung der der Last
CH gegenüberliegenden
Klemme besonders verbessert.
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Man
wird feststellen, daß sich
in der mit der Masse verbundenen Spule ein Rückstrom bildet, und daß sich der
entsprechende Kondensator über
diese Spule entlädt.
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Die,
in dieser Phase gesättigten,
Spule erlaubt folglich eine sehr schnelle Entladung des entsprechenden
Kondensators, und somit eine quasi sofortige Masseverbindung der
entsprechenden Anschlußklemme
der Last CH.
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Eine
Anschlußklemme
der Last CH wird also quasi sofort über die Leistungsschaltung 15 mit
der Masse verbunden, während
die andere Anschlußklemme
der Last CH durch Wirkung eines aktiven Filters, bei starker Impedanz,
einen positiven Spannungswert erreicht.
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Der
hier vorgeschlagene Filter hat den Vorteil, daß er nur eine einfache Spule
benötigt,
bei der es nicht erforderlich ist, ständig mittels einer komplexen
Anordnung die Sättigung
zu vermeiden.
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Vorzugsweise
verwendet man eine hohe Anzahl von Windungen der Hilfsspule, nämlich mehr
als die Anzahl der Wicklungen der Spule L1, um mit einem schwachen
Strom Iaux ein ausreichendes Feld zu erhalten.
Der Strom Iaux wird geregelt und, wenn nötig, die
Vorpolarisation verändert.
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Nach
einer anderen Herstellungsweise der Erfindung, wie in 8 dargestellt,
wird die Vorpolarisation der Spule L1 mit Hilfe eines Permanentmagneten 20 erreicht.
Man wählt
einen Magneten 20, dessen Magnetfeld den Kern der Spule
L1 entsättigt, wenn
der mittlere Strom I austritt, und dessen Magnetfeld die Sättigung
des Kerns bewirkt, wenn der mittlere Strom I eintritt.
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Nach
einer anderen Herstellungsweise der Erfindung, wie in 9 dargestellt,
werden die Spulen L1 und L2 der beiden Filterkreise F1 und F2 vorpolarisiert,
und derselbe Kondensator C3 für
die beiden Filterkreise verwendet.
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Dieser
Kondensator C3 wird parallel zur Last CH, zwischen den beiden Spulen
L1 und L2, geschaltet. Die Anschlußklemmen der Last CH werden,
wie für
den Kondensator C3, mit der jeweiligen Ausgangsklemme der Spulen
L1 und L2 verbunden.
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Wenn
eine Spule L1, welche vorher von einem mittleren, aus der Leistungsschaltung 15 austretenden
Strom durchflossen war, anschließend mit der Masse über die
Leistungsschaltung 15 verbunden wird, wird die Anschlußklemme
des entsprechenden Kondensators C3 selbst quasi sofort mit der Masse verbunden
(weil die Spule L1, dann gesättigt,
leitend wird) und der einzelne Kondensator C3 sich quasi sofort
entlädt.
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Der
Kondensator C3 steht daher quasi sofort wieder zur Verfügung, um
seine Filterfunktion mit der anderen Spule L2, die dann ableitend
wird, wieder zu erfüllen.
Er verbindet die Spule L2 mit der Masse wie bei den üblichen
LC-Gliedern, hier über
die gesättigte Spule
L1 und die Leistungsschaltung 15.
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Bei
einer Richtungsänderung
des Laststromes I verhalten sich die Spulen L1 und L2 umgekehrt.
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Diese
Variante der Erfindung ist besonders interessant, da sie erlaubt,
einen einzigen Kondensator zu verwenden. Denn Kondensatoren sind
teuer, insbesondere teurer als Spulen.