DE102008064133A1 - Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Last - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Last. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst eine Gleichrichteinheit zur Gleichrichtung einer einphasigen Wechselspannung, an deren Ausgangsklemmen (18, 19) eine gleichgerichtete und mit einem Rippelanteil überlagerte Zwischenkreisspannung (V) abgreifbar ist. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Resonanzwandler (20), dem zur Versorgung der Last eine von der Zwischenkreisspannung (V) abgeleitete Eingangsspannung an Eingangsklemmen zuführbar ist. Schließlich weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine Kompensationsschaltung (40) zur Erzeugung eines der Zwischenkreisspannung (V) überlagerbaren Wechselspannungssignals () auf, wobei das Wechselspannungssignal () derart erzeugt wird, dass der Rippelanteil in der Zwischenkreisspannung (V) zumindest teilweise ausgelöscht wird. Das kompensierte Zwischenkreissignal (V) wird den Eingangsklemmen (28, 29) des Resonanzwandlers (20) als Eingangssignal zugeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Last. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Gleichrichteinheit zur Gleichrichtung einer einphasigen Wechselspannung, an deren Ausgangsklemmen eine gleichgerichtete und mit einem Rippelanteil überlagerte Zwischenkreisspannung abgreifbar ist. Einem Resonanzwandler der Schaltungsanordnung ist zur Versorgung der Last eine von der Zwischenkreisspannung abgeleitete Eingangsspannung an Eingangsklemmen zuführbar.
  • Eine solche Schaltungsanordnung kann beispielsweise in einem Schaltnetzteil verwirklicht sein. Ein Schaltnetzteil ist eine elektronische Baugruppe, die eine unstabilisierte Eingangsspannung in eine Gleichspannung eines anderen Niveaus umwandelt. Hierbei erfolgt die Umwandlung mit einem hohen Wirkungsgrad. Teilweise sind die Schaltnetzteile mit einer Einrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur (englisch: Power Factor Correction, PFC) ausgestattet. Die Einrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur sorgt durch eine netzgesteuerte Schaltstufe eingangsseitig für einen sinusförmigen Stromverlauf. Hieraus ergibt sich bei einer einphasigen Wechselspannung eine zeitabhängige, im 100 Hz-Rhythmus pulsierende Zwischenkreisspannung. Bei der Verwendung eines Resonanzwandlers, der wegen seines hohen Wirkungsgrades in Schaltnetzteilen eingesetzt wird, führt die im 100 Hz-Rhythmus pulsierende Zwischenkreisspannung allerdings zu einer pulsierenden Ausgangsspannung, die durch den Resonanzwandler selbst nicht ausgeglichen werden kann. Da die pulsierende Ausgangsspannung unerwünscht ist, werden zur Minimierung der sog. Rippelspannung ein Zwischenkreiskondensator sowie ein weiterer Kondensator am Ausgang des Resonanzwandlers vorgesehen. Die Rippelspannung lässt sich auf diese Weise jedoch nur unzureichend unterdrücken.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Last anzugeben, welche eine bessere Unterdrückung der Rippelspannung ermöglicht, um die Verwendung eines Resonanzwandlers in der Schaltungsanordnung zur Steigerung deren Wirkungsgrads zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Die Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Last, welche eine Gleichrichteinheit zur Gleichrichtung einer einphasigen Wechselspannung, an deren Ausgangsklemmen eine gleichgerichtete und mit einem Rippelanteil überlagerte Zwischenkreisspannung abgreifbar ist, und welche einen Resonanzwandler aufweist, dem zur Versorgung einer Last eine von der Zwischenkreisspannung abgeleitete Eingangsspannung an Eingangsklemmen zuführbar ist. Es ist ferner eine Kompensationsschaltung zur Erzeugung eines der Zwischenkreisspannung überlagerbaren Wechselspannungssignals vorgesehen, wobei das Wechselspannungssignal derart erzeugt wird, dass der Rippelanteil in der Zwischenkreisspannung zumindest teilweise ausgelöscht wird. Das kompensierte Zwischenkreissignal wird dann den Eingangsklemmen des Resonanzwandlers als Eingangssignal zugeführt.
  • Der Erfindung liegt damit die Idee zu Grunde, der Zwischenkreisspannung einen Wechselspannungsanteil zu überlagern, der auch mit auf die Sekundärseite des Resonanzwandlers und damit den Ausgang der Schaltungsanordnung übertragen wird. Der Rippelanteil lässt sich auf diese Weise zwar noch nicht vollständig, doch zumindest weitgehend eliminieren.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Gleichrichteinheit eine Einrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur mit einem Hochsetzsteller zur Bereitstellung der Zwischenkreisspannung, insbesondere einer Spannung von 380 V. Ein Hochsetzsteller (auch Aufwärtswandler oder Step-Up-Konverter genannt) wird in Einrichtungen zur Leistungsfaktorkorrektur üblicherweise dazu verwendet, eine Zwischenkreisspannung von ca. 400 V Gleichspannung bereitzustellen. Die Stromaufnahme wird dem Sinusverlauf der Eingangsspannung nachgesteuert, so dass Verunreinigungen des Netzes durch Oberschwingungen vermieden werden. Mit dieser Zwischenkreisspannung arbeiten dann nachgeschaltete Schaltungsanordnungen, die ansonsten starke Oberschwingungen erzeugen würden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Kompensationsschaltung dazu ausgebildet, ein zu der Wellenform des Rippelanteils inverses Wechselspannungssignal zu erzeugen. Hierdurch kann die „Auslöschung” des der Zwischenkreisspannung überlagerten Rippelanteils erfolgen.
  • Insbesondere umfasst die Kompensationsschaltung einen Wandler, welcher an einem Ausgangskondensator das Wechselspannungssignal bereitstellt. Als Wandler kann jeder beliebige Wandler, wie z. B. ein Resonanzwandler oder ein Sperrwandler oder ein Flusswandler, eingesetzt werden.
  • Gemäß einer Variante kann die Kompensationsspannung aus einer von dem Resonanzwandler abgezweigten Spannung, insbesondere mittels einer Hilfswicklung eines Haupttransformators des Resonanzwandlers, versorgt werden. Die Spannungsversorgung der Kompensationsschaltung kann gemäß einer anderen Variante auch aus einer von der Gleichrichteinheit abgezweigten Spannung erfolgen. Dies kann beispielsweise mittels einer Hilfswicklung einer Drossel der Gleichrichteinheit realisiert sein. In einer weiteren Variante wird eine die Kompensationsschaltung versorgende Spannung aus einem Hilfswandler gewonnen. Dies kann z. B. ein Hilfswandler sein, der zur Versorgung einer Regelung in einem Netzteil typischerweise vorhanden ist.
  • Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Ausgangskondensator der Kompensationsschaltung seriell mit einem Ausgangskondensator der Gleichrichteinheit verschaltet und die Serienschaltung der beiden Ausgangskondensatoren ist mit den Eingangsklemmen des Resonanzwandlers verschaltet. Durch die Serienschaltung der Ausgangskondensatoren kann die Überlagerung des durch die Kompensationsschaltung erzeugten Wechselspannungssignals mit dem Rippelanteil der Zwischenkreisspannung erfolgen.
  • Es ist ferner zweckmäßig, wenn dem Ausgangskondensator der Kompensationsschaltung eine Diode derart parallel geschaltet ist, dass sie den Gleichanteil des Stromes des Resonanzwandlers durchlässt.
  • Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Kompensationsschaltung ein die Zwischenkreisspannung repräsentierendes Signal als Eingangsgröße zuführbar, welches als Steuersignal zur Erzeugung des Wechselspannungssignals dient. Auf diese Weise wird der tatsächliche Verlauf des Zwischenkreissignals ermittelt, um in Abhängigkeit des tatsächlichen Verlaufs das Wechselspannungssignal derart zu erzeugen, dass der Rippelanteil in der Zwischenkreisspannung zumindest teilweise ausgelöscht wird.
  • Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist, wie eingangs bereits erläutert, insbesondere in einem Schaltnetzteil verwirklicht.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Zeitverlauf der Zwischenkreisspannung am Ausgang einer Gleichrichteinheit, wobei die Zwischenkreisspannung mit einem Rippelanteil überlagert ist,
  • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
  • 3 eine erste mögliche Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
  • 4 eine zweite mögliche Realisierungsvariante einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
  • 1 zeigt den typischen Zeitverlauf einer Zwischenkreisspannung VZ am Ausgang einer Einrichtung 10 zur Leistungsfaktorkorrektur einer Gleichrichteinheit. Die Einrichtung 10 zur Leistungsfaktorkorrektur dient zur Gleichrichtung einer an ihren Eingängen anliegenden einphasigen Wechselspannung. An ihren Ausgangsklemmen 18, 19 ist die gleichgerichtete, jedoch mit einem Rippelanteil überlagerte Zwischenkreisspannung VZ abgreifbar. Der 1 ist hierbei ohne Weiteres entnehmbar, dass die von der Einrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur bereitgestellte Gleichspannung 380 V beträgt. Dabei ist dieser Gleichspannung ein Rippelanteil überlagert, der im 100 Hz-Rythmus um die Ausgangsspannung von 380 V pulsiert. In Verbindung mit einem festfrequent betriebenen Resonanzwandler 20 führt diese Zwischenkreisspannung VZ zu einer unerwünschten pulsierenden Ausgangsspannung am Ausgang des Resonanzwandlers, mit welchem eine damit verbundene Last betrieben wird.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei welcher eine pulsierende Ausgangsspannung am Ausgang des Resonanzwandlers 20 weitgehend vermieden werden kann. Die Schaltungsanordnung umfasst gemäß der obigen Beschreibung die Einrichtung 10 zur Leistungsfaktorkorrektur, welche aus einem Hochsetzsteller 11 und einem mit den Ausgängen des Hochsetzstellers 11 verbundenen Ausgangskondensator 12 gebildet ist. Die Ausgänge des Hochsetzstellers 11 sind gleichzeitig mit den Ausgangsklemmen 18, 19 der Einrichtung 10 zur Leistungsfaktorkorrektur verbunden. An den Ausgangsklemmen 18, 19 ist die gleichgerichtete und mit dem Rippelanteil überlagerte Zwischenkreisspannung VZ abgreifbar. Dem Resonanzwandler 20 ist an Eingangsklemmen 18, 29 zur Versorgung einer Last (in 2 nicht dargestellt) eine von der Zwischenkreisspannung VZ abgeleitete Eingangsspannung VZComp zuführbar. Hierbei ergibt sich die abgeleitete Eingangsspannung VZComp aus einer Überlagerung der Zwischenkreisspannung VZ mit einem Wechselspannungssignal VRipKil Das Wechselspannungssignal VRipKil wird durch eine Kompensationsschaltung 40 derart erzeugt, dass der Rippelanteil in der Zwischenkreisspannung VZ zumindest teilweise ausgelöscht wird. Zur Kompensation des Rippelanteils der Zwischenkreisspannung VZ wird zur Zwischenkreisspannung VZ das Wechselspannungssignal VRipKil, welches eine steuerbare Hilfsspannung darstellt, seriell geschaltet.
  • Der festfrequent betriebene Resonanzwandler 20 weist in bekannter Weise einen Hauptwandler 20', umfassend eine Schalteinheit 21, eine Spule 22 und einen seriell damit verschalteten Kondensator 23, sowie einen Haupttransformator 30 auf. Der Haupttransformator 30 umfasst eine Primärwicklung 31, welche über die Spule 22 und den Kondensator 23 mit dem Hauptwandler 20' gekoppelt ist, sowie eine mit der nicht dargestellten Last gekoppelte Sekundärwicklung 32.
  • Der Kompensationsschaltung 40 ist ein die Zwischenkreisspannung VZ repräsentierendes Signal als Eingangsgröße zuführbar, welches als Steuersignal zur Erzeugung des Wechselspannungssignals VRipKil dient. Hierzu kann ein in 2 nicht näher dargestelltes Mittel zur Spannungserfassung mit den Ausgangsklemmen 18, 19 der Einrichtung 10 zur Leistungsfaktorkorrektur gekoppelt sein. Das Mittel zur Ermittlung der Zwischenkreisspannung kann auf beliebige Weise ausgebildet sein. Das die Zwischenkreisspannung VZ repräsentierende Signal dient als Eingangsgröße dafür, das der Wellenform des Rippelanteils inverse Wechselspannungssignal VRipKil zu erzeugen und der Zwischenkreisspannung VZ zu überlagern.
  • 3 zeigt ein erstes Realisierungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. In 3 ist die Kompensationsschaltung 40 als bekannter Tiefsetzsteller ausgebildet. Der Tiefsetzsteller wird über eine Hilfswicklung 33 des Haupttransformators 30 des Resonanzwandlers 20 mit Spannung ver sorgt. In bekannter Weise wird die an der Hilfswicklung 33 anliegende Wechselspannung durch Dioden 41, 42 gleichgerichtet und durch einen Kondensator 43 geglättet. Dem Kondensator 43 ist in bekannter Weise eine Serienschaltung aus einem steuerbaren Schaltelement 44 und einer Diode 45 parallel geschaltet. Mit einem Knotenpunkt zwischen dem steuerbaren Schaltelement 44 und der Freilaufdiode 45 ist eine Spule 46 gekoppelt. Ein Glättungskondensator 47 ist mit einem Spulenanschluss 46 und dem Anodenanschluss der Diode 45 verbunden. Dem Glättungskondensator 47 ist ein Ausgangskondensator 48 des Tiefsetzstellers parallel geschaltet. Der Ausgangskondensator 48 ist seriell zu dem Ausgangskondensator 12 des Hochsetzstellers 11 der Einrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur geschaltet. Dem Ausgangskondensator 48 der Kompensationsschaltung 40 ist ferner eine Diode 49 derart parallel geschaltet, dass sie den Gleichanteil des Stromes des Resonanzwandlers 20 durchlässt. Dies bedeutet, der Anodenanschluss der Diode 49 ist mit der Eingangsklemme 29 und der Kathodenanschluss mit dem Knotenpunkt zwischen den Ausgangskondensatoren 12, 48 verbunden.
  • Wie weiter oben bereits beschrieben, ist die Serienschaltung aus den Ausgangskondensatoren 12, 48 mit den Eingangsklemmen 28, 29 des Resonanzwandlers 20 verbunden. Für die Spannungen am Zwischenkreis gilt damit: –VZ + VZComp – VRipKil = 0 VZComp = VZ + VRipKil mit
  • VZ:
    Zwischenkreisspannung
    VZComp:
    kompensierte Zwischenkreisspannung
    VRipKil:
    Kompensationsspannung
  • Beim Einbruch der Zwischenkreisspannung VZ wird mit der Kompensationsschaltung eine zusätzliche Spannung VRipKil addiert, so dass der Rippelanteil der Zwischenkreisspannung VZ überla gert und kompensiert ist. Dies erfolgt durch die Steuerung des Schaltelements 44 der Kompensationsschaltung 40.
  • Der Steueranschluss des steuerbaren Schaltelements 44 ist mit einer (nicht dargestellten) Schaltungsanordnung verbunden, welche aus der gemessenen Zwischenkreisspannung VZ ein Steuersignal derart erzeugt, dass das Wechselspannungssignal VRipKil den Rippelanteil in der Zwischenkreisspannung VZ zumindest teilweise auslöscht.
  • 4 zeigt ein zweites Realisierungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der die Kompensationsschaltung 40 ebenfalls als bekannter Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird die Kompensationsspannung 40 jedoch aus einer von der Einrichtung 10 zur Leistungsfaktorkorrektur, genauer dem Hochsetzsteller 11, abgezweigten Spannung versorgt. Der Hochsetzsteller 11 weist eine PFC-Drossel 13 auf, welche mit dem Knotenpunkt zwischen einem steuerbaren Schaltelement 16 und dem Anodenanschluss einer Gleichrichtdiode 17 gekoppelt ist. Der andere Hauptanschluss des Schaltelements 16 ist mit einer anderen Eingangsklemme des Hochsetzstellers 11 verbunden. Mit diesem Hauptanschluss des steuerbaren Schaltelements 16 und dem Kathodenanschluss der Diode 17 ist schließlich der Ausgangskondensator 12 verschaltet.
  • Mittels einer Hilfswicklung 15 der Drossel 13 des Hochsetzstellers 11 wird die notwendige Eingangsspannung für den Tiefsetzsteller 11 erzeugt. Wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel dient hierbei die Diode 41 zur Gleichrichtung der in der Spule (Hilfswicklung 15) erzeugten Wechselspannung. Der Kondensator 43 dient zur Glättung des gleichgerichteten Signals. Der Glättungskondensator 43 ist der Serienschaltung aus dem steuerbaren Schaltelement 44 und der Freilaufdiode 45 parallel geschaltet. Mit dem Knotenpunkt des steuerbaren Schaltelements 44 der Freilaufdiode 45 ist ein erster Anschluss der Spule 46 verbunden. Der andere Spulenanschluss ist mit dem Glättungskondensator 47 verbunden, der mit seinem anderen Anschluss mit der Anode der Gleichrichterdiode 45 gekoppelt ist. Parallel zu dem Glättungskondensator 47 ist wiederum der Ausgangskondensator 48 geschaltet, der seriell zu dem Ausgangskondensator 12 des Hochsetzstellers 11 verschaltet ist.
  • Wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist die Serienschaltung der beiden Ausgangskondensatoren 12, 48 mit den Eingangsklemmen 28, 29 des Resonanzwandlers 20 verbunden. Dem Ausgangskondensator 48 ist wiederum die Diode 49 derart parallel geschaltet, dass sie den Gleichanteil des Stromes des Resonanzwandlers 20 durchlässt. In ebenfalls übereinstimmender Weise wird der Steueranschluss des Schaltelements 44 durch eine Ansteuerschaltung gesteuert, welche als Eingangssignal die Zwischenkreisspannung VZ verwendet. Hierdurch wird wiederum das Wechselspannungssignal VRipKil derart erzeugt, dass der Rippelanteil in der Zwischenkreisspannung zumindest teilweise ausgelöscht ist.
  • Anstelle der Verwendung eines Tiefsetzstellers in der Kompensationsschaltung 40 der 3 und 4 kann jeder beliebige Wandler, insbesondere ein Resonanzwandler oder ein Sperrwandler oder ein Flusswandler eingesetzt werden. Aufgrund der einfachen Topologie bieten sich insbesondere Flusswandler an.
  • Die für die Kompensationsschaltung notwendige Spannung kann, wie erläutert, aus einer Hilfswicklung des Haupttransformators des Resonanzwandlers, einer Hilfswicklung der PFC-Drossel einer vorgeschalteten Einrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur oder direkt aus einem Hilfswandler gewonnen werden. Ebenso kann eine eigene Spannungsquelle für die Kompensationsschaltung zur Verfügung gestellt werden.

Claims (12)

  1. Schaltungsanordnung zur Versorgung einer Last, umfassend: – eine Gleichrichteinheit zur Gleichrichtung einer einphasigen Wechselspannung, an deren Ausgangsklemmen (18, 19) eine gleichgerichtete und mit einem Rippelanteil überlagerte Zwischenkreisspannung (VZ) abgreifbar ist, – einen Resonanzwandler (20), dem zur Versorgung der Last eine von der Zwischenkreisspannung (VZ) abgeleitete Eingangsspannung an Eingangsklemmen zuführbar ist, und – eine Kompensationsschaltung (40) zur Erzeugung eines der Zwischenkreisspannung (VZ) überlagerbaren Wechselspannungssignals (VRipKil), wobei das Wechselspannungssignal (VRipKil) derart erzeugt wird, dass der Rippelanteil in der Zwischenkreisspannung (VZ) zumindest teilweise ausgelöscht wird, und wobei das kompensierte Zwischenkreissignal (VZComp) den Eingangsklemmen (28, 29) des Resonanzwandlers (20) als Eingangssignal zu geführt wird.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Gleichrichteinheit eine Einrichtung zur Leistungsfaktorkorrektur (10) mit einem Hochsetzsteller (11) zur Bereitstellung der Zwischenkreisspannung, von insbesondere 380 V, umfasst.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kompensationsschaltung dazu ausgebildet ist, ein zu der Wellenform des Rippelanteils inverses Wechselspannungssignal (VRipKil) zu erzeugen.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Kompensationsschaltung (40) einen Wandler umfasst, welcher an einem Ausgangskondensator (48) das Wechselspannungssignal (VRipKil) bereitstellt.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der die Kompensationsschaltung (40) aus einer von dem Resonanzwandler (20) abgezweigten Spannung, insbesondere mittels einer Hilfswick lung (33) eines Haupttransformators (30) des Resonanzwandlers, versorgt werden kann.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der die Kompensationsschaltung (40) aus einer von der Gleichrichteinheit abgezweigten Spannung, insbesondere mittels einer Hilfswicklung (15) einer Drossel (13) der Gleichrichteinheit, versorgt werden kann.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der eine die Kompensationsschaltung (40) versorgende Spannung aus einem Hilfswandler gewonnen wird.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der der Ausgangskondensator (48) der Kompensationsschaltung (40) seriell mit einem Ausgangskondensator (12) der Gleichrichteinheit (10) verschaltet ist und die Serienschaltung der beiden Ausgangskondensatoren (12, 48) mit den Eingangsklemmen des Resonanzwandlers (20) verschaltet ist.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der dem Ausgangskondensator (48) der Kompensationsschaltung (40) eine Diode (49) derart parallel geschaltet ist, dass sie den Gleichanteil des Stromes des Resonanzwandlers (20) durchlässt.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der der Wandler ein Resonanzwandler oder ein Sperrwandler oder ein Flusswandler ist.
  11. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Kompensationsschaltung (40) ein die Zwischenkreisspannung (VZ) repräsentierendes Signal als Eingangsgröße zuführbar ist, welches als Steuersignal zur Erzeugung des Wechselspannungssignals (VRipKil) dient.
  12. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der diese in einem Schaltnetzteil verwirklicht ist.
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