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Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis
für eine
elektromagnetische Quelle zur Erzeugung akustischer Wellen.
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Ein derartiger Schaltkreis gemäß dem Stand der
Technik ist in der
1 dargestellt.
Der Schaltkreis umfasst eine Gleichspannungsquelle
1, ein Schaltmittel
2,
das in der Regel als Funkenstrecke ausgeführt ist, einen Kondensator
C sowie eine Spule L, die Teil einer Schallerzeugungseinheit der
elektromagnetischen Quelle ist. Die Schallerzeugungseinheit der
elektromagnetischen Quelle weist neben der Spule L einen nicht dargestellten
Spulenträger, auf
dem die Spule angeordnet ist, und eine ebenfalls nicht dargestellte,
isolierend auf der Spule L angeordnete Membran auf. Bei der Entladung
des Kondensators C über
die Spule L fließt
durch die Spule L ein Strom i(t), wodurch ein elektromagnetisches
Feld erzeugt wird, das mit der Membran in Wechselwirkung tritt.
Die Membran wird dabei in ein akustisches Ausbreitungsmedium abgestoßen, wodurch
Quelldruckwellen in das akustische Ausbreitungsmedium als Trägermedium
zwischen der Schallerzeugungseinheit der elektromagnetischen Quelle
und einem zu beschallenden Objekt ausgesendet werden. Durch nichtlineare
Effekte im Trägermedium
können
aus den akustischen Quelldruckwellen beispielsweise Stoßwellen
entstehen. Der Aufbau einer elektromagnetischen Quelle, insbesondere
einer elektromagnetischen Stoßwellenquelle,
ist beispielsweise in der
EP
0 133 665 B1 beschrieben.
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Stoßwellen werden beispielsweise
zur nichtinvasiven Zerstörung
von Konkrementen im Körperinneren
eines Patienten, z.B. zur Zerstörung
eines Nierensteins, eingesetzt. Die auf den Nierenstein gerichteten
Stoßwellen
bewirken, dass in dem Nierenstein Risse entstehen. Der Nierenstein
bricht schließlich auseinander
und kann auf natürlichem Weg
ausgeschieden werden.
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Betreibt man den in 1 gezeigten Schaltkreis zur Erzeugung
akustischer Wellen, so ergeben sich während des Entladevorgangs des
Kondensators C über
die Spule L, wozu mittels des Schaltmittels 2 ein Kurzschluss
erzeugt wird, die in der 2 exemplarisch
eingetragenen Verläufe
der Spannung u(t) (Kurve 3) über der Spule L und des Stromes
i(t) (Kurve 4) durch die Spule L. Der durch die Spule 4 fließende abklingende
Strom i(t), ist, wie bereits erwähnt,
ursächlich
für die
Erzeugung von akustischen Wellen.
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Dem Quadrat des Stromes i(t), Kurve 5 in
der 2, proportional
sind die von der elektromagnetischen Stoßwellenquelle erzeugten akustische
Wellen. Aus einem Entladevorgang des Kondensators C gehen demnach
eine erste akustische Quelldruckwelle aus dem ersten akustischen
Quelldruckpuls (1. Maximum) und weitere akustische Quelldruckwellen aus
der abklingenden Folge von positiven akustischen Quelldruckpulsen
hervor. Die erste Quelldruckwelle und die nachfolgenden Quelldruckwellen können sich,
wie bereits erwähnt,
durch nichtlineare Effekte im Trägermedium
und eine nichtlineare Fokussierung, welche in der Regel mit einer
an sich bekannten akustischen Fokussierungslinse erfolgt, in Stoßwellen
mit kurzen aufgesteilten Positivanteilen und nachfolgenden langgezogenen
sogenannten Unterdruckwannen formen.
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Durch die Frequenz des durch die
Spule L fließenden
Stromes i(t) können
Eigenschaften der Stoßwelle,
wie z.B. deren Fokusdurchmesser, verändert werden. Mit einer variablen
Stromfrequenz und somit einer variablen Frequenz der Stoßwelle lässt sich
beispielsweise die Größe des Wirkfokus
verändern
und je nach Anwendung auf das zu behandelnde Objekt einstellen.
Beispielsweise kann bei einem Lithotripter der Wirkfokus entsprechend
der jeweiligen Steingröße gewählt werden,
so dass die akustische Energie besser für die Desintegration des Steines
ausgenutzt und das umliegendes Gewebe weniger belastet wird.
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Wegen der relativ hohe Kurzschlussleistungen
bis in den 100 MW-Bereich, sind eine variable Kapazität des Kondensators
C und eine variable Induktivität
der Spule L kostspielig. Um die Stoßwelle zu variieren, wird daher
im Allgemeinen nur die Ladespannung des Kondensators C variiert,
wodurch sich die Maxima des Stromes i(t) durch die Spule L und der
Spannung u(t) an der Spule L ändern.
Die Kurvenformen des Stromes i(t) und der Spannung u(t) bleiben
jedoch im Wesentlichen gleich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, einen Schaltkreis der eingangs genannten Art derart auszubilden,
dass die Erzeugung von akustischen Wellen verbessert wird.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe
gelöst
durch einen Schaltkreis für
eine elektromagnetische Quelle zur Erzeugung akustischer Wellen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis wenigstens einen ersten
Kondensator umfasst, der parallel zu wenigstens einer Serienschaltung
aus einem zweitem Kondensator und einem ersten Ventil geschaltet
ist.
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Das erste Ventil, das gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eine erste Diode oder ein erstes Diodenmodul ist,
ist dabei derart geschaltet, dass es nach dem Aufladen beider Kondensatoren
sperrt, also Ausgleichsvorgänge
zwischen beiden Kondensatoren verhindert. Dadurch kann, wie es nach
einer bevorzugten Variante der Erfindung vorgesehen ist, der erste
Kondensator vor der Entladung beider Kondensatoren mit einer größeren Ladespannung
als der zweite Kondensator aufgeladen werden. Für die Erzeugung der akustischen
Welle durch den Stromkreis wird zuerst mit dem Entladen des ersten
Kondensators, also mit dem Kondensator mit der größeren Ladespannung, über die
Spule begonnen. Sobald die Ladespannung des ersten Kondensators
wenigstens im Wesentlichen gleich der Ladespannung des zweiten Kondensators
ist, wird das erste Ventil leitend, so dass sich beide Kondensatoren
entladen. Folglich hat der Schaltkreis die Kapazität des ersten
Kondensators, bevor der zweite Kondensator beginnt, sich zu entladen.
Während
sich beide Kondensatoren entladen, hat der Schaltkreis eine Kapazität, die der
Summe der Kapazitäten
beider Kondensatoren entspricht. Durch ein Variierung der Ladespannungen
beider Kondensatoren kann somit die Kurvenform des Stromes durch
die Spule verändert
werden, wodurch wiederum die Eigenschaften der Stoßwelle variiert
werden können.
Die Kurvenform des Entladestromes kann weiter variiert werden, wenn
der Schaltkreis mehrere in Serie geschaltete Ventil/Kondensatorpaare
aufweist, die parallel zum ersten Kondensator geschaltet und mit
unterschiedlichen Ladespannungen geladen sind.
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Das erste Diodenmodul umfasst im Übrigen beispielsweise
eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Dioden.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung kann vor der Entladung der erste Kondensator mit einer
ersten Gleichspannungsquelle und der zweite Kondensator mit einer
zweiten Gleichspannungsquelle aufgeladen werden. Nach einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist es auch vorgesehen, den ersten Kondensator und
den zweiten Kondensator mit genau einer Gleichspannungsquelle aufzuladen
und die Gleichspannungsquelle von dem zweiten Kondensator mit einem
Schaltmittel wegzuschalten, sobald der zweite Kondensator seine Ladespannung
erreicht hat. Das Schaltmittel umfasst gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wenigstens ein Halbleiterelement.
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Nach einer besonders bevorzugten
Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Parallelschaltung
aus zweitem Kondensator/erstem Ventil und erstem Kondensator ein
zweites Ventil parallel geschaltet ist. Das zweite Ventil ist gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung eine zweite Diode oder ein. zweites Diodenmodul. Durch
die Parallelschaltung des zweiten Ventils zu den Kondensatoren erreicht man
bei der Entladung der Kondensatoren eine zeitliche Verlängerung
des ersten Quelldruckpulses. Außerdem
werden die nachfolgenden abklingenden Quelldruckpulse abhängig von
der Impedanz des zweiten Ventils stark bedämpft. Die Dämpfung kann dabei so groß sein,
dass die nachfolgenden Quelldruckpulse gänzlich verschwinden. Durch
die zeitliche Verlängerung
des ersten Quelldruckpulses wird eine stärkere erste akustische Welle,
beispielsweise bei der Erzeugung von Stoßwellen, also eine stärkere erste
Stoßwelle,
erzeugt, wodurch sich für
die Zertrümmerung
von Konkrementen eine Verstärkung
der Volumen desintegrierenden Wirkung ergibt. Dadurch, dass zudem
nur noch wenige schwache oder überhaupt
keine dem ersten Quelldruckpuls nachfolgende Quelldruckpulse auftreten,
wird auch die gewebeschädigende
Kavitation, verursacht durch die auf die erste Stoßwelle folgenden
aus den nachfolgenden Quelldruckpulsen hervorgegangenen Stoßwellen vermindert.
Dadurch erhöht
sich durch die durch das zweite Ventil bedingte verringerte Umpolspannung die
Lebensdauer des ersten und des zweiten Kondensators. Zudem werden
bei einer derartigen Erzeugung von Stoßwellen weniger hörbare Schallwellen
erzeugt, so dass sich eine Lärmreduzierung
ergibt. Maßgeblich
bei der Erzeugung von hörbaren Schallwellen
bei der Erzeugung von Stoßwellen
ist nämlich
die Gesamtfläche
unter der Kurve des Quadrates des Stromes. Diese wird im Falle der
vorliegenden Erfindung insgesamt durch den Wegfall des normalerweise
auf den ersten Quelldruckpuls folgenden Quelldruckpulses verringert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den beigefügten
schematischen Zeichnungen exemplarisch dargestellt. Es zeigen:
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1 einen
bekannten Schaltkreis zur Erzeugung akustischer Wellen,
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2 Den
Verlauf der Spannung u(t), des Stromes i(t) und des Quadrates des
Stromes i2(t) über der Zeit während der
Entladung des Kondensators des Schaltkreises aus 1,
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3 eine
elektromagnetische Stoßwellenquelle,
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4 einen
erfindungsgemäßen Schaltkreis zur
Erzeugung akustischer Wellen,
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5 den
Verlauf des Stromes i'(t) über der Zeit
während
der Entladung eines erfindungsgemäßen Schaltkreises und
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6 bis 8 weitere erfindungsgemäße Schaltkreise.
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Die 3 zeigt
in Form einer teils geschnittenen und teils blockschaltartigen Darstellung
eine elektromagnetische Stoßwellenquelle
in Form eines Therapiekopfes 10, der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
Bestandteil eines nicht näher dargestellten
Lithotripters ist. Der Therapiekopf 10 weist eine mit 11 bezeichnete,
an sich bekannte Schallerzeugungseinheit auf, welche nach dem elektromagnetischen
Prinzip arbeitet. Die Schallerzeugungseinheit 11 weist
in in der 3 nicht dargestellter
Weise einen Spulenträger,
eine auf diesem angeordnete Flachspule und eine gegenüber der Flachspule
isolierte metallische Membran auf. Zur Erzeugung von Stoßwellen
wird die Membran durch elektromagnetische Wechselwirkung mit der Flachspule
in ein mit 12 bezeichnetes akustisches Ausbreitungsmedium
abgestoßen,
wodurch eine Quelldruckwelle in das akustische Ausbreitungsmedium 12 ausgesendet
wird. Die Quelledruckwelle der akustischen Linse 13 wird
auf eine Fokuszone F fokussiert, wobei sich die Quelldruckwelle
während
ihrer Ausbreitung in dem akustischen Ausbreitungsmedium 12 und
nach Einleitung in den Körper
eines Patienten P zu einer Stoßwelle
aufsteilt. Im Falle des in 3 gezeigten
Ausführungsbeispiels
dient die Stoßwelle
zur Zertrümmerung
eines Steines ST in der Niere N des Patienten P.
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Dem Therapiekopf 10 ist
eine Bedien- und Versorgungseinheit 14 zugeordnet, die
bis auf die Flachspule den in der 4 gezeigten
erfindungsgemäßen Schaltkreis
zur Erzeugung von akustischen Wellen umfasst. Die Bedien- und Versorgungseinheit 14 ist
dabei über
eine in der 3 gezeigte
Verbindungsleitung 15 mit der die Flachspule umfassenden Schallerzeugungseinheit 11 elektrisch
verbunden.
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Der in der 4 gezeigte erfindungsgemäße Schaltkreis
für eine
elektromagnetische Stoßwellenquelle
zur Erzeugung akustischer Wellen weist Gleichspannungsquellen DC0,
DC1 und DC2, ein Schaltmittel S, Kondensatoren C0, C1 und C2 und die
Flachspule 23 der elektromagnetischen Schallerzeugungseinheit 11 des
Therapiekopfes 10 auf. Mit dem Kondensator C1 ist im Falle
des vorliegenden Ausführungsbeispiels
eine Diode D1 und mit dem Kondensator C2 ist eine Diode D2 in Serie
geschaltet. Die Serienschaltungen aus Kondensator C1/Diode D1 und
Kondensator C2/Diode D2 sind außerdem parallel
zum Kondensator C0 geschaltet.
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Für
eine Aufladung der Kondensatoren C0 bis C2 ist das Schaltmittel
S geöffnet.
Der Kondensator C0 wird deshalb mit der Gleichspannung U0 der Gleichspannungsquelle DC0 und der in
der 4 dargestellten
Polarität
aufgeladen. Der Kondensator C1 wird mit der Gleichspannung U1 der Gleichspannungsquelle DC1 und der in
der 4 dargestellten Polarität aufgeladen.
Die Spannung U1 der Gleichspannungsquelle
DC1 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels kleiner als
die Spannung U0 der Gleichspannungsquelle
DC0. Die Diode D1 ist derart geschaltet, dass sie sperrt, solange
der Kondensator CO mit einer größeren Spannung
uo(t) aufgeladen ist als der Kondensator C1. Die Diode D1 verhindert
also einen Ausgleichsvorgang zwischen den mit den Spannungen U0 bzw. U1 aufgeladenen Kondensatoren
CO und C1, weshalb der Kondensator CO am Ende des Aufladens mit
der höheren Spannung
U0 aufgeladen ist als der Kondensator C1, der
am Ende des Aufladens mit der Spannung U1 aufgeladen
ist. Der Kondensator C2 wird des Weiteren mit der Gleichspannung
U2 der Gleichspannungsquelle DC2 und der
in der 4 dargestellten
Polarität
aufgeladen. Die Gleichspannung U2 ist im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
kleiner als die Gleichspannung U1. Die Diode
D2 ist ebenfalls derart geschaltet, dass sie sperrt, solange die
Spannung u2(t) des Kondensators C2 kleiner
als die Spannung u0(t) des Kondensators
C0 ist. Somit ist es möglich,
die Kondensatoren C0 bis C2 mit unterschiedlich großen Spannungen
aufzuladen.
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Für
das Erzeugen der Stoffwellen wird das Schaltmittel S geschlossen.
Dadurch beginnt der Kondensator C0 sich über die Spule 23 zu
entladen, wodurch die Spannung u0(t) des
Kondensators CO sinkt und ein Strom i'(t) durch die Flachspule 23 fließt. Die
an der Flachspule 23 anliegende Spannung ist mit u'(t) bezeichnet. Erreicht
die Spannung u0(t) des Kondensators CO den
Wert der Spannung U1 des geladenen Kondensators
C1, wird die Diode D1 leitend und der Strom i'(t) durch die Flachspule 23 wird
von beiden Kondensatoren C0 und C1 gespeist. Erreichen die Spannung
u0(t) des Kondensators C0 und die Spannung
u1(t) des Kondensators C1 die Spannung U2 des aufgeladenen Kondensators C2, wird die
Diode D2 leitend und der Strom i'(t)
durch die Flachspule 23 wird von den drei Kondensatoren
C0 bis C2 gespeist. Somit stellt sich eine zeitlich veränderbare
Kapazität
des Schaltkreises ein, wodurch die Kurvenform des durch die Flachspule 23 fließenden Stromes
i'(t) beeinflussbar
ist. Durch in der 4 nicht
dargestellte weitere, parallel zum Kondensator CO geschaltete Kondensator/Dioden
Kombinationen, deren Kondensatoren mit unterschiedlich hohen Spannungen
kleiner als die Spannung U0 der Gleichspannungsquelle
DC0 aufgeladen sind, kann die Kurvenform des Stromes i'(t) durch die Flachspule 23 während des
Entladens weiter beeinflusst werden.
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Die 5 zeigt
als Beispiel Verläufe
von Strömen
i'(t) durch die
Flachspule 23 während
des Entladens, wenn der in der 4 gezeigte
Schaltkreis nur die Kondensatoren C0 und C1 umfasst. Durch eine
geeignete Wahl der Spannungen U0 und U1 der Gleichspannungsquellen DC0 und DC1
haben die Strommaxima gleiche Werte.
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Die 6 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schaltkreises.
Der in der 6 dargestellte
Schaltkreis umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
Kondensatoren C0' bis
C2', Schaltmittel
S', S1 und S2, Dioden D1' und D2', eine Gleichspannungsquelle
DC0' und die Flachspule 23.
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Die Diode D1' und der Kondensator C1' sowie die Diode
D2' und der Kondensator
C2' sind in Serie
geschaltet. Die Serienschaltungen aus Kondensator C1'/Diode D1' und Kondensator
C2'/Diode D2' sind parallel zum
Kondensator C0' geschaltet. Die
Dioden D1' und D2' sind derart gepolt,
dass sie sperren, solange der Kondensator C0' mit einer Spannung u0'(t) gemäß der in
der 6 eingezeichneten
Polarität
geladen ist, die größer als
die Spannung u1'(t) des Kondensators C1' bzw. der Spannung u2'(t)
des Kondensators C2' gemäß der eingezeichneten
Polarität
ist.
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Während
des Aufladens der Kondensatoren C0' bis C2' ist das Schaltmittel S' geöffnet. Zu
Beginn des Aufladens sind die Schaler S1 und S2 geschlossen. Da
die Kondensatoren C1' und
C2' mit Ladespannungen
U1' und
U2' geladen
werden sollen, die kleiner als die Spannung U0' der Gleichspannungsquelle
DC0' sind, werden
die Schalter S1 und S2 dann geöffnet,
wenn die Kondensatoren C1' und
C2' mit den gewünschten
Spannungen U1' und U2' aufgeladen sind.
Da die Kondensatoren im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
mit relativ geringen Strömen
kleiner als 1 Ampere aufgeladen werden, sind Schaltgenauigkeiten
der Schalter S1 und S2 im Millisekundenbereich ausreichend, um die
Kondensatoren C1' und
C2' mit ausreichender
Genauigkeit aufzuladen. Die Spannungen u1'(t) und u2'(t)
der Kondensatoren C1' und
C2' werden während des
Aufladens mit in der 6 nicht
dargestellten Messgeräten überwacht.
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Am Ende des Aufladens sind daher
die Schaltmittel S1 und S2 geöffnet,
der Kondensator C0' mit
der Spannung U0' der Gleichspannungsquelle DC0' und die Kondensatoren
C1' und C2' mit den Spannungen
U1' und
U2' geladen.
Außerdem
ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Spannung
U2' des
aufgeladenen Kondensators C2 kleiner als die Spannung U1' des aufgeladenen
Kondensators C1.
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Für
die Entladung der Kondensatoren C0' bis C2' wird das Schaltmittel S' geschlossen und
der Kondensator C0' beginnt
sich über
die Flachspule 23 zu entladen, wodurch ein Strom i'(t) durch die Flachspule 23 fließt. Solange
die Spannung u0'(t) des Kondensators C0' größer als
die Spannung U1' des aufgeladenen Kondensators C1' ist, sperren die
Dioden D1' und D2'. Erreicht die Spannung
u0'(t)
des Kondensators C0' den
Wert der Spannung U1' des aufgeladenen Kondensators C1', wird die Diode
D1' leitend und
der Strom i'(t)
durch die Flachspule 23 wird von den Kondensatoren C0' und C1' gespeist. Erreichen
die Spannungen u0'(t) und u1'(t) der Kondensatoren
C0' und C1' den Wert der Spannung
U2' des
aufgeladenen Kondensators C2',
wird auch die Diode D2' leitend
und der Strom i'(t)
durch die Flachspule 23 wird von den Kondensatoren C0' bis C2' gespeist.
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Die 7 zeigt
einen weiteren erfindungsgemäßen Schaltkreis,
der im Vergleich zu dem in der 4 gezeigten
Schaltkreis eine zusätzliche
Diode D3 aufweist. Die Diode D3 ist parallel und in Sperrrichtung
zur Ladespannung U0 des Kondensators C0 geschaltet.
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Die 8 zeigt
noch einen weiteren erfindungsgemäßen Schaltkreis, der im Vergleich
zu dem in der 6 gezeigten
Schaltkreis eine zusätzliche Diode
D3' aufweist. Die
Diode D3' ist parallel
und in Sperrrichtung zur Ladespannung U'0 des Kondensators
C0' geschaltet.
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Anstelle der Dioden D1 bis D3 und
D1' bis D3' können insbesondere
auch Diodenmodule aufweisend eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung
mehrerer Dioden eingesetzt werden. Die Schaltmittel S, S', S1 und S2 können insbesondere eine
Reihenschaltung von an sich bekannten Thyristoren sein, die z.B.
von der Firma BEHLKE ELECTRONIC GmbH, Am Auerberg 4, 61476 Kronberg
in ihrem Katalog "Fast
High Voltage Solid-State
Switches" vom Juni
2001 angeboten werden.