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Die Erfindung betrifft eine Schweißstromerzeugungsvorrichtung insbesondere zum elektrischen Lichtbogenschweißen, beispielsweise zum Bolzenschweißen.
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In Verfahren wie dem Bolzenschweißen wird einem Schweißwerkzeug wie beispielsweise einer Schweißpistole ein Schweißstrom zugeführt. Dieser bewirkt einen Lichtbogen, der die zu verschweißenden Werkstücke anschmilzt, die daraufhin zusammengefügt werden. Bekannte Vorrichtungen zur Schweißstromerzeugung für diese Anwendung sind in R. Trillmich, W. Welz: „Bolzenschweißen Grundlagen und Anwendung“, 2. Auflage, Fachbuchreihe Schweißtechnik, Band 133, Düsseldorf 2014, angegeben. In einer typischen Schweißstromerzeugungsvorrichtung wird die Netzwechselspannung zunächst in eine Gleichspannung umgewandelt. Aus dieser wird mittels eines Inverters eine höher frequente Wechselspannung erzeugt. Diese wird mittels eines Transformators auf niedrigere Spannung und höheren Strom transformiert. Der Strom wird mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet und dem Schweißwerkzeug zugeführt.
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Zum Teil sind im Stand der Technik mehrere Stromquellen zur Lieferung des Schweißstroms parallel geschaltet worden:
DE 20 2006 013 386 U1 und
EP 3 138 649 B1 offenbaren parallel geschaltete Stromquellen mit jeweils einem Kondensator und einem Thyristor zur Lieferung von Schweißstrom-Impulsen durch Entladung des Kondensators bei Zündung des Thyristors gleichzeitig oder abwechselnd in beiden Stromquellen.
DE 600 25 777 T2 ,
DE 10 2008 051 844 A1 und
DE 601 31 923 T2 offenbaren parallel geschaltete Stromquellen mit jeweils einem Inverter, die unabhängig voneinander getaktet sind.
DE 297 19281 offenbart die Verwendung von Schottky-Dioden in Stromquellen von Schweißgeräten.
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Eine hochwertige Schweißung erfordert eine exakte Steuerung des zeitlichen Verlaufs des Schweißstroms, also die exakte Einhaltung der Dauer und Größe des Schweißstroms in einzelnen Phasen des Schweißvorgangs. Diese Steuerung erfolgt meist durch Pulsbreitenmodulation der vom Inverter erzeugten Wechselspannung. Der Inverter weist Halbleiterschalter in Form von MOSFETs oder IGBTs (insulated gate bipolar transistors) auf, die mit Hilfe einer Steuerelektronik in hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet werden. Die Steuerung wird dadurch erschwert, dass der Lichtbogen in der Praxis gewisse Instabilitäten aufweist, die zu Sprüngen der elektrischen Spannung am Schweißwerkzeug führen.
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Im Hinblick auf die beträchtliche Stromstärke von einigen 100 oder 1000 Ampere, die eine Schweißstromerzeugungsvorrichtung liefert, entstehen in der Vorrichtung beträchtliche Wärmeverluste. Diese sind aus Gründen der Energieeffizienz unerwünscht. Außerdem steht die mit den Verlusten verbundene Erwärmung einer kompakten Bauform und einer hohen Zuverlässigkeit und Lebensdauer entgegen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Schweißstromerzeugungsvorrichtung zu schaffen, die die oben genannten Probleme löst und die exakte Steuerung des Schweißstroms erlaubt.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung.
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Die Schweißstromerzeugungsvorrichtung weist einen Ausgangsanschluss auf, an dem der Schweißstrom dem Schweißwerkzeug zur Verfügung gestellt wird. Die Vorrichtung enthält Stromquellen, die jeweils einen Teil des Schweißstroms liefern und bei Ausführungsformen der Erfindung mittels der folgenden Maßnahmen zusammengeschaltet sind:
- Gemäß einer Maßnahme sind Leitungen von jeweils zwei Stromquellen zum Ausgangsanschluss durch eine Symmetrisierungsdrossel geführt, bevor sie elektrisch miteinander und mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind. Der Aufbau der Symmetrisierungsdrossel gleicht dem einer stromkompensierten Drossel, indem mehrere Leitungen durch einen Kern, beispielsweise einen Ringkern geführt sind. Bei der Symmetrisierungsdrossel sind die beiden von den Stromquellen kommenden Leitungen aus einander entgegengesetzten Richtungen durch den Kern hindurchgeführt, bevor sie nach Verlassen des Kerns miteinander und mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind. Auf diese Weise stellt die Symmetrisierungsdrossel eine induktive Last für eine etwaige Differenz zwischen den momentanen Stromstärken der beiden Anteile am Schweißstrom dar, die von den beiden Stromquellen geliefert werden. Die Anteile sind daher zu jedem Zeitpunkt etwa gleich. Die Ströme aus diesen Stromquellen addieren sich zum Schweißstrom.
- Gemäß einer anderen Maßnahme liefern verschiedene Stromquellen im Gegentakt Stromimpulse vorzugsweise gleicher Energie (also Dauer und Leistung) abwechselnd an den Ausgangsanschluss, die sich zum Schweißstrom ergänzen. Die stets vorhandenen Leitungsinduktivitäten insbesondere in der Zuleitung vom Ausgangsanschluss zum Schweißwerkzeug tragen dazu bei, dass sich der Impulscharakter des so erzeugten Schweißstroms verliert und sich ein mittlerer Strom und am Schweißwerkzeug eine mittlere Spannung einstellen. Die Spannung am Schweißwerkzeug ist mit der vorliegenden Maßnahme die Summe der Spannungen, die sich unter Verwendung der Stromquellen jeweils einzeln einstellen würde. Beispielsweise würde eine einzelne Stromquelle im Impulsbetrieb mit einem Tastverhältnis von etwa 50% die halbe Spannung am Schweißwerkzeug im Vergleich zu zwei solchen Stromquellen zur Verfügung stellen, die zueinander im Gegentakt mit einem sich daraus ergebenden gesamten Tastverhältnis der Vorrichtung von nahezu 100% arbeiten. Anders betrachtet müssen die beiden Stromquellen bei einem gesamten Tastverhältnis von etwa 100% nur Impulse mit etwa der Hälfte der Spannung im Vergleich zur einzelnen Stromquelle erzeugen, um die gleiche Spannung am Schweißwerkzeug zur Verfügung zu stellen.
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Die beiden Maßnahmen sind miteinander kombiniert. Es sind dann vier Stromquellen vorhanden, die in zwei Paaren gruppiert sind. Gemäß der oben als erstes genannten Maßnahme, sind die zwei Stromquellen innerhalb eines jeweiligen Paars über eine dem Paar zugehörige Symmetrisierungsdrossel mit dem Ausgangsanschluss verbunden. Gemäß der oben als zweites genannten Maßnahme sind die beiden Stromquellen des einen Paars gemeinsam im Impulsbetrieb angesteuert, werden also gleichzeitig ein- und gleichzeitig ausgeschaltet; die beiden Stromquellen des anderen Paars sind ebenfalls im Impulsbetrieb angesteuert, werden also gemeinsam gleichzeitig aus- und gleichzeitig eingeschaltet, jedoch im Gegentakt zu denen des einen Paars.
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Der Schweißstrom ist so gleichmäßig auf die Stromquellen verteilt und diese können für die Lieferung nur eines entsprechenden Teils des Schweißstroms jeweils verhältnismäßig kleiner dimensioniert sein. Mehrere kleinere Stromquellen lassen sich präziser und schneller schalten und so anordnen, dass die Verlustwärme nicht konzentriert sondern verteilt in der Vorrichtung erzeugt wird und die Temperatur der Bauteile dadurch insgesamt geringer ist.
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Die Stromquellen enthalten typischerweise jeweils einen Transformator, dessen Sekundärseite mit einem entsprechenden Gleichrichter und dessen Primärseite mit einem entsprechenden Inverter beschaltet ist. Der Schweißstrom wird somit von den Invertern über die Transformatoren, die Gleichrichter und die Symmetrisierungsdrossel an den Ausgangsanschluss geliefert. Die Inverter enthalten Schalter, Halbleiterschalter wie MOSFETs oder IGBTs. Da jeder Inverter mit dem nachgeschalteten Transformator und Gleichrichter nur einen Teil des Schweißstroms liefert, ist die Stromanstiegszeit sehr kurz. Die Schalter können den entsprechenden Teil des Stroms verhältnismäßig schnell schalten.
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Vorteilhafterweise sind in einem Inverter jeweils zwei solche Schalter als Halbbrücke geschaltet und/oder die Gleichrichter sind jeweils als Halbwellengleichrichter ausgestaltet, so dass der dazwischenliegende Transformator im Impulsbetrieb betrieben wird. So entfallen Verluste in den Transformatorleitungen, wie sie bei Vollwellenschaltungen auftreten würden. Das Einschalten der Schalter erfolgt in nahezu stromlosem Zustand und Schaltverluste in den Schaltern sind gering.
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Die Inverter können im Pulsbreitenmodulationsbetrieb betrieben werden. Aufgrund der Halbbrückenschaltung der Inverter auf der Primärseite der Transformatoren kann das Tastverhältnis der Pulsbreitenmodulation spontan geändert und damit den Spannungssprüngen am Lichtbogen gefolgt werden, um eine konstante Schweißleistung zu erhalten.
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Das Tastverhältnis der Pulsbreitenmodulation kann so groß gemacht werden, dass sich wie oben beschrieben für die gesamte Vorrichtung ein Tastverhältnis von bis nahezu 100% ergibt. So benötigen die Impulse eine geringere Spannung als bei einem niedrigeren Tastverhältnis. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Spannung können in den Gleichrichtern Schottky-Dioden verwendet werden, die wiederum den Vorteil geringer Schaltverluste und kleiner Durchflussverluste bieten.
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Die Vorrichtung weist vier Gleichrichter und vier Symmetrisierungsdrosseln auf. Die vier Gleichrichter sind an den vier Ecken eines rechteckigen Kühlkörpers angerordnet. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus können die Symmetrisierungsdrosseln relativ kompakt sein. Sie finden daher Platz an den Kanten des Kühlkörpers zwischen den jeweiligen Gleichrichtern. Im Zentrum zwischen den Gleichrichtern und Symmetrisierungsdrosseln ist über dem Kühlkörper ein Schaltungsknoten angeordnet, an dem die von den Gleichrichtern kommenden und durch die Symmetrisierungsdrosseln führenden Leitungen zusammengeführt und miteinander elektrisch verbunden sind und der wiederum mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Dieser Aufbau ist besonders kompakt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt
- 1 den Schaltplan einer Schweißstromerzeugungsvorrichtung,
- 2 schematisch die Anordnung von Dioden und Symmetrisierungsdrosseln auf einem Kühlkörper, und
- 3 eine perspektivische Ansicht des Kühlkörpers mit den Dioden und Symmetrisierungsdrosseln zwischen vier Transformatoren.
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Die in 1 gezeigte Schweißstromerzeugungsvorrichtung weist einen ersten Inverter PWM1 auf, der eine Gleichspannung V in eine Impulsspannung wandelt, die an die Primärwicklung eines Transformators T1 abgegeben wird. Der Inverter PWM1 enthält zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Gleichspannung V eine Reihenschaltung aus einem Schalter SW101 und einer Diode D101 sowie parallel zu dieser Reihenschaltung eine weitere Reihenschaltung aus einer Diode D102 und einem Schalter SW102. Schalter SW101 und Diode D102 sind dabei mit dem positiven und Schalter SW102 und Diode D101 mit dem negativen Pol der Gleichspannung V verbunden. Zwischen dem Schalter SW101 und der Diode D101 sowie zwischen der Diode D102 und dem Schalter SW102 ist jeweils ein Abgriff vorhanden, an den die Primärwicklung des Transformators T1 angeschlossen ist. Wenn beide Schalter SW101 und SW102 geschlossen sind, fließt ein Stromimpuls durch die Primärwicklung. Die Dioden D101, D102 wirken als Freilauf, wenn die Schalter SW101, SW102 geöffnet werden. Die Schalter sind Halbleiterschalter wie beispielsweise MOSFETs oder vorzugsweise IGBTs.
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Die Sekundärwicklung des Transformators T1 weist zwei Anschlüsse auf, von denen einer mit Masse GND und der andere mit der Anode einer Diode D11 verbunden ist, die einen Gleichrichter darstellt. Die Kathode der Diode D11 ist über eine später beschriebene Symmetrisierungsdrossel CMC13 mit einem Ausgangsanschluss OUT verbunden, an dem der gleichgerichtete Schweißstrom ausgegeben wird.
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Die Schalter SW101 und SW102 bilden eine Halbbrückenschaltung, die an die Primärwicklung des Transformators T1 eine Impulsspannung stets gleicher Polarität liefert, die zu keiner Ummagnetisierung bzw. magnetischen Umpolung des Kerns des Transformators führt. Entsprechenderweise ist der Gleichrichter aus der Diode D11 auf der Sekundärseite des Transformators T1 ein Halbwellengleichrichter.
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Die Vorrichtung weist gleich aufgebaut wie der erste Inverter PWM1, Transformator T1 und Gleichrichter aus Diode D11 einen zweiten Inverter PWM2, Transformator T2 und Gleichrichter aus Diode D21, einen dritten Inverter PWM3, Transformator T3 und Gleichrichter aus Diode D31 sowie einen vierten Inverter PWM4, Transformator T4 und Gleichrichter aus einer Diode D41 auf.
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Eine Steuerung 1000 steuert die Schalter der jeweiligen Inverter so, dass die Schalter SW101, SW102, SW301 und SW302 der Inverter PWM1 und PWM3 gleichzeitig ein- und gleichzeitig ausgeschaltet werden und etwa im Gegentakt dazu die Schalter SW201, SW202, SW401 und SW402 der Inverter PWM2 und PWM4 gleichzeitig aus- und gleichzeitig eingeschaltet werden.
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Die Kathoden der Dioden D11 und D31 sind über die genannte Symmetrisierungsdrossel CMC13 mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden. Die Symmetrisierungsdrossel CMC13 weist einen Ringkern 113 auf, siehe 2. Die beiden von den Kathoden der Dioden D11 und D31 kommenden Leitungen sind aus einander entgegengesetzten Richtungen durch den Ringkern 113 hindurchgeführt, dann an einem Schaltungsknoten 200 zusammengeführt und elektrisch miteinander verbunden, an den wiederum der Ausgangsanschluss OUT angeschlossen ist. So liefern die beiden Dioden D11 und D31 mit den ihnen jeweils vorgeschalteten Invertern PWM1, PWM3 und Transformatoren T1, T3 einander gleiche Anteile am Schweißstrom.
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Auf gleiche Weise sind die Kathoden der Dioden D21 und D41 über eine Symmetrisierungsdrossel CMC24 mit dem Schaltungsknoten 200 und von diesem weiter mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden. Beide Dioden D21, D41 mit den ihnen jeweils vorgeschalteten Transformatoren T2, T4 und Invertern PWM2, PWM4 liefern einander gleiche Anteile am Schweißstrom.
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Freilaufdioden D12, D22, D32, D42 sind mit ihren Anoden jeweils mit Masse GND und mit ihren Kathoden jeweils paarweise über eine Symmetrisierungsdrossel CMC12 und CMC34 mit dem Schaltungsknoten 200 und von diesem weiter mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden.
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Die Steuerung 1000 ist eingerichtet, die Schweißstromerzeugungsvorrichtung im Betrieb in vier Phasen arbeiten zu lassen, die zyklisch wiederholt werden. In einer ersten Phase sind die Schalter SW101, SW102, SW301, SW302 geschlossen und die Primärwicklungen der Transformatoren T1 und T3 werden erregt. Durch die Sekundärwicklungen der Transformatoren T1 und T3 fließt jeweils der halbe Schweißstrom über die Dioden D11 und D31 und die Symmetrisierungsdrossel CMC13 zum Ausgangsanschluss OUT Die Schalter der Inverter PWM2 und PWM4 sind in dieser Phase offen.
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In einer kürzeren zweiten Phase werden auch die zuvor geschlossenen Schalter SW101, SW102, SW301, SW302 geöffnet und es sind damit alle Schalter offen. Auf den Primärseiten der Transformatoren T1, T3 fließen anfänglich sehr kurz Freilaufströme durch die Dioden D101, D102, D301, D302. Auf der Sekundärseite fließt ein Freilaufstrom über die Dioden D12, D22, D32, D42 und die Symmetrisierungsdrosseln CMC12 und CMC34 von Masse GMD zum Ausgangsanschluss OUT.
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In einer dritten Phase, die genauso lang wie die erste ist, bleiben die Schalter der Inverter PWM1, PWM3 offen und es werden die Schalter SW201, SW202, SW401, SW402 der Inverter PWM2 und PWM4 geschlossen. Damit werden die Primärwicklungen der Transformatoren T2 und T4 erregt und deren Sekundärwicklungen geben jeweils zu gleichen Teilen Schweißstrom über die Dioden D21, D41 und die Symmetrisierungsdrossel CMC24 an den Ausgangsanschluss OUT ab.
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In einer vierten Phase, die genauso lang wie die zweite ist, werden auch die Schalter SW201, SW202, SW401 und SW402 wieder geöffnet, so dass alle Schalter nun offen sind. Auf den Primärseiten der Transformatoren T2, T4 fließen anfänglich sehr kurz Freilaufströme durch die Dioden D201, D202, D401, D402. Auf der Sekundärseite fließt wie in der zweiten Phase ein Freilaufstrom über die Dioden D12, D22, D32, D42 und die Symmetrisierungsdrosseln CMC12 und CMC34 zum Ausgangsanschluss OUT.
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Der Zyklus wiederholt sich dann mit dem erneuten Beginn der ersten Phase. Nach der Zwischenzeit seit dem Ende der ersten Phase des vorangegangenen Zyklus fließen nur noch geringe Restströme durch die Transformatoren T1, T3. Die Schalter SW101, SW102, SW301, SW302 schließen daher zu Beginn jeder ersten Phase in stromlosem Zustand der Transformatoren T1, T3.
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Entsprechenderweise fließen zu Beginn der dritten Phase, nach Ablauf der Zeit seit dem Ende der dritten Phase des vorangegangenen Zyklus nur noch geringe Restströme durch die Transformatoren T2, T4. Die Schalter SW201, SW202, SW401, SW402 schließen daher zu Beginn jeder ersten Phase in stromlosem Zustand der Transformatoren T2, T4.
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Der am Ausgangsanschluss OUT gelieferte Schweißstrom ist ein Gleichstrom.
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Die vier Gleichrichter D11, D21, D31, D41 (jeweils mit den ihnen vorgeschalteten Transformatoren und Invertern) tragen zu gleichen Teilen zum Schweißstrom bei.
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Die Schweißstromerzeugungsvorrichtung lässt sich in sehr kurzer Zeit ein- und ausschalten und das Tastverhältnis der Vorrichtung, also die gesamte Dauer beiden Phasen 1 und 3 im Verhältnis zur gesamten Dauer aller vier Phasen lässt sich präzise in Echtzeit steuern, um den Verlauf des Schweißstroms zu steuern. Bei voller Leistung beträgt das Tastverhältnis nahezu 100%, vorzugsweise etwa 98%.
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In der beschriebenen Ausgestaltung reichen verhältnismäßig niedrige Spannungen zur Erzeugung eines hohen Schweißstroms aus. Daher können für die Dioden D11 bis D42 Schottky-Dioden verwendet werden, die den weiteren Vorteil geringer Schaltverluste und kleiner Durchflussverluste aufgrund geringer Durchflussspannungen aufweisen.
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Die Anordnung dieser Dioden und der Symmetrisierungsdrosseln auf einer rechteckigen Fläche eines Kühlkörpers 100 ist in 2 schematisch in Aufsicht und in 3 perspektivisch dargestellt. Das Diodenpaar D11, D12, das Paar D21, D22, das Paar D31, D32 und das Paar D41, D42 sind jeweils in einer Ecke der Fläche des Kühlkörpers 100 angeordnet. Die Symmetrisierungsdrosseln sind bei den Kanten der Fläche zwischen den Diodenpaaren angeordnet. Die Symmetrisierungsdrossel CMC13 weist einen Ringkern 113 auf, durch den die von den Kathoden der Dioden D11 und D31 kommenden Leitungen in einander entgegengesetzte Richtungen, also antiparallel zueinander hindurchgeführt und dann an dem zentral über der Fläche angeordneten Schaltungsknoten 200 miteinander und von dort über eine gemeinsame Leitung mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden sind. Ebenso weist die Symmetrisierungsdrossel CMC24 einen Ringkern 124 auf, durch den die von den Dioden D21 und D41 kommenden Leitungen antiparallel hindurchgeführt und dann beide mit dem Schaltungsknoten 200 und über diesen mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden sind. Die Symmetrisierungsdrossel CMC12 weist einen Ringkern 112 auf, durch den die von den Dioden D12 und D22 kommenden Leitungen antiparallel hindurchgeführt und dann beide mit dem Schaltungsknoten 200 und über diesen mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden sind. Auch die Symmetrisierungsdrossel C34 weist einen Ringkern 134 auf, durch den die von den Dioden D32 und D42 kommenden Leitungen antiparallel hindurchgeführt und dann beide mit dem Schaltungsknoten 200 und über diesen mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden sind. Der Schaltungsknoten 200, an dem alle diese Leitungen also miteinander verbunden sind und der wiederum mit dem Ausgangsanschluss OUT verbunden ist, liegt in der Mitte über der Fläche des Kühlkörpers 100. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus können die Symmetrisierungsdrosseln verhältnismäßig kompakt ausfallen und finden über dem Kühlkörper zwischen den Dioden Platz.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel liefert einen Schweißstrom zwischen dem Ausgangsanschluss OUT und einem weiteren Ausgangsanschluss, der hier die Masse GND der Schaltung ist. Der weitere Ausgangsanschluss muss jedoch nicht auch die Masse der Schaltung sein. Vorteilhafterweise sind die Dioden D12, D22, D32, D42 und die Sekundärwicklungen der Transformatoren T1 bis T4 mit einem möglichst ebenfalls zentral gelegenen weiteren Schaltungsknoten verbunden, der wiederum mit dem weiteren Ausgangsanschluss, hier also Masse verbunden ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Ausgangsanschluss OUT der Pluspol und Masse GND der Minuspol der Quelle des gelieferten Schweißstroms. Beim Vertauschen der Polarität der Dioden D11 bis D42 kann jedoch auch ein Schweißstrom zwischen dem Ausgangsanschluss OUT als Minuspol und Masse als Pluspol geliefert werden.
