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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Hochfrequenz-Schalter mit zumindest
einer Diode. Der elektronische Schalter dient zum schnellen Schalten
hochfrequenter Signale.
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Elektronische Schalter zum schalten
hochfrequenter Signale, welche als Schaltmittel von Steuerspannungen
geschaltete Dioden verwenden, sind beispielsweise aus der Application
Note AG 312 der Firma M/A-COM, Inc. bekannt. Ebenso bekannt sind die
Vorteile eines solchen elektronischen Schalters hinsichtlich mechanischer
Schalter. Gegenüber
anderen elektronischen Schaltern, welche beispielsweise aus Transistoren
aufgebaut sind, ist der eine Diode als Schaltmittel verwendende
elektronische Schalter besonders einfach aufgebaut. Außerdem ist die
Entkopplung von Hochfrequenzsignal und Steuerspannung besonders
einfach zu realisieren.
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Nachteilig bei den aus dem Stand
der Technik bekannten nur eine Diode als Schaltmittel verwendenden
elektronischen Schalter ist, daß die
Dicke der Sperrschicht der durch die Steuerspannung in Sperrichtung
geschaltete Diode sich mit den Spannungsschwankungen der am Hochfrequenzeingang anliegenden
Spannung ändert.
Bei richtiger Bemessung der Steuerspannung bleibt die Diode dabei zwar
gesperrt, jedoch ändert
sich die Kapazität
der Diode in Abhängigkeit
der am Hochfrequenzeingang anliegenden Spannung.
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Das am Hochfrequenzeingang anliegende Signal
kann deshalb nicht mit einem konstanten Scheinwiderstand abgeschlossen
werden, wodurch sich beispielsweise Verzerrungen einstellen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung
einen einfach aufgebauten elektronischen Schalter, welche als Schaltmittel
Dioden verwendet, aufzuzeigen, welcher es ermöglicht, ein am Hochfrequenzeingang
anliegendes Signal abzuschalten und mit einem definierten, nicht
von den Spannungsschwankungen des am Hochfrequenzeingang anliegenden
Signals abhängigen
Scheinwiderstand abzuschließen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen elektronischen Schalter mit den kennzeichnenden Merkmalen
in Verbindung mit den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird der ersten Diode eine zweite
Diode wechselstrommäßig antiparallel
geschaltet, wobei die zweite Diode dabei ebenfalls mit dem Hochfrequenzeingang
und Hochfrequenzaungang verbunden ist.
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Der Erfindung liegt dabei der Gedanke
zugrunde, eine Verkleinerung der Sperrschicht der ersten Diode durch
eine Vergrößerung der
Sperrschicht der zweiten Diode und umgekehrt zu kompensieren und
damit die im Hochfrequenzpfad wirksame Kapazität bei schwankender am Hochfrequenzeingang anliegender
Spannung im wesentlichen konstant zu halten und somit auch den Scheinwiderstand
bei geschlossenem elektronischen Schalter konstant zu halten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen gehen
aus den Unteransprüchen
hervor.
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Bevorzugt sind die erste Diode und
die zweite Diode gleichstrommäßig in Reihe
geschaltet. Dies ermöglicht
die Ansteuerung mit einer Steuerspannung.
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Vorzugsweise weisen beide Dioden
gleiche elektrische Kennwerte auf. Insbesondere gleichen sich die
erste und die zumindest eine zweite Diode darin, daß die in
Sperrichtung auftretende Kapazität der
Dioden in ihrem Verlauf über
der in Sperrichtung anliegenden Spannung identisch ist. D.h., daß bei gleicher
in Sperrichtung anliegender Spannung beide Dioden gleiche große Kapazitäten aufweisen.
Dadurch läßt sich
in gesperrtem Zustand des elektronischen Schalters die Kapazität der ersten
Diode, welche sich mit der am Hochfrequenzeingang schwankenden Spannung ändert, besonders
genau auf einen gleichbleibenden Wert kompensieren. Die in gesperrtem
Zustand des elektronischen Schalters auftretende Kapazität kann dadurch
besonders genau und einfach zumindest nahezu konstant gehalten werden.
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In einer weiteren Weiterbildung des
erfindungsgemäßen elektronischen
Schalters ist sowohl der ersten als auch der zumindest einen zweiten
Diode ein elektrischer ohmscher Widerstand parallel geschaltet,
wobei die Widerstände
gleiche elektrische Kennwerte, insbesondere gleiche elektrische ohmsche
Widerstandswerte, aufweisen. Die jeweils im gesperrten Zustand des
elektronischen Schalters an den Dioden abfallende Steuerspannung
kann dadurch in besonders einfacher Weise zu gleichen Teilen aufgeteilt
werden, so daß über den
Dioden jeweils der gleiche Anteil der Steuerspannung abfällt. Die
Dioden werden somit quasi in besonders einfacher Weise auf den gleichen
Arbeitspunkt eingestellt.
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Vorteilhaft ist es außerdem,
die Dioden als PIN-Dioden auszuführen.
Die Spannungsabhängigkeit
der Kapazität
des elektronischen Schalters von der am Hochfrequenzeingang anliegenden
Spannung kann in dieser Weise weiter verringert werden.
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Vorteilhaft ist es weiterhin, daß der Hochfrequenzeingang
und der Hochfrequenzausgang gleichspannungsentkoppelt sind. Dadurch
läßt sich
eine Rückwirkung
der Steuerspannung auf den Hochfrequenzeingang und Hochfrequenzausgang
verhindern.
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Vorteilhaft ist es zudem, mehrere
erste Dioden unmittelbar parallel und mehrere zweite Dioden unmittelbar
parallel zu schalten. Insbesondere kann dadurch die Schaltleistung
erhöht
werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des
erfindungsgemäßen elektronischen
Hochfrequenz-Schalters sind die beiden Dioden im Steuerspannungspfad
parallel geschaltet, so daß an
ihnen gleiche Spannung abfällt.
widerstände
zur Arbeitspunkteinstellung können
so entfallen und die Schaltung vereinfacht werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
In den Figuren sind übereinstimmende
Bauteile mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen. Bevor jedoch anhand der 2, 3 und 4 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel beschrieben
wird, wird anhand der 1 ein
elektronischer Schalter gemäß dem Stand
der Technik erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
elektronischen Schaltern gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
Schalteinrichtung aus mehreren elektronischen Schaltern,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen elektronischen
Schalters,
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4 ein
Diagramm mit der Darstellung der Abhängigkeit der Kapazität von der
Spannung einer in Sperrichtung gepolten Diode,
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen elektronischen
Schalters mit gegenüber 3 vertauschter Polung der
Dioden,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen elektronischen
Schalters mit parallel im Steuerspannungspfad angeordneten Dioden und
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen elektronischen
Schalters mit gegenüber 6 vertauschter Polung der
Dioden.
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1 zeigt
einen elektronischen Hochfrequenz-Schalter mit einer in einem Gleichspannungspfad
und einem Hochfrequenzpfad geschalteten Diode D1. Die Anode der
Diode D1 ist mit jeweils einem Pol einer ersten Hochfrequenz-Drosselinduktivität L1 und
eines dritten Kondensators C3 verbunden. Der dritte Kondensator
C3 ist andererseits mit dem Hochfrequenzeingang In1 verbunden. Über die
erste Hochfrequenz-Drosselinduktivität L1 liegt andererseits die
Steuerspannung Usw1 an. Die Kathode der Diode D1 ist mit jeweils
einem Pol eines ersten Kondensators C1 und einer zweiten Hochfrequenz-Drosselinduktivität L2 verbunden.
Der erste Kondensator C1 ist andererseits mit dem Hochfrequenzaungang Out1
verbunden und die zweite Hochfrequenz-Drosselinduktivität L2 ist
andererseits mit dem gemeinsamen Bezugspotential GR verbunden.
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Der elektronische Schalter wird durch
die Steuerspannung Usw1 geschlossen und geöffnet, wobei in diesem Ausführungsbeispiel
des Standes der Technik die Steuerspannung Usw1 jeweils einen von
zwei Gleichspannungswerten annehmen kann und der den elektronischen
Schalter schließende Gleichspannungswert
so gewählt
ist, daß dieser
kleiner bzw. negativer ist als die kleinste bzw. negativste am Hochfrequenzeingang
In1 auftretende Spannung. Die Steuerspannung Usw1 fällt über dem Gleichspannungspfad
ab, welcher von der ersten Hochfrequenz-Drosselinduktivität L1 über die
erste Diode D1 und die zweite Hochfrequenz-Drosselinduktivität L2 auf
das gemeinsame Bezugspotential GR führt.
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Ein Schalter mit beispielsweise einer
PIN-Diode ist geöffnet,
wenn für
alle Zeitpunkte einer Periode der Hochfrequenzschwingung in Sperrichtung
betrieben wird. Dazu muß das
Anodenpotential negativ und betragsmäßig größer als die größte Amplitude der
Hochfrequenzschwingung gewählt
werden. Sind beispielsweise zwei Dioden in Reihe geschaltet, so muß die Steuerspannung
zur Sperrung der beiden Dioden doppelt so groß sein wie bei einer Einzeldiode.
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Der Schalter ist geschlossen, wenn
die Diode für
alle Zeitpunkte einer Periode der Hochfrequenzschwingung in leitendem
Zustand betrieben wird. Im Halbleiter müssen genügend Leitungsträger vorhanden
sein, um den Fluß des
Hochfrequenz-Wechselstroms sicherzustellen. Dazu muß ein ausreichender
Ruhestrom an der Diode eingestellt werden, beispielsweise durch
Anlegen einer Spannung über
einen in Reihe zur Diode geschalteten, diesen Strom einstellenden,
ohmschen Widerstand. In der Praxis ist meist ein geringerer Strom
als der maximale Hochfrequenz-Spitzenstrom
ausreichend, um genügend
Ladungsträger
zur Verfügung zustellen.
Aus der Beweglichkeit der Ladungsträger ergibt sich lediglich eine
untere Grenzfrequenz, für die
dieser Strom gerade noch ausreichend ist.
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Durch Öffnen des elektronischen Schalters wird
der zwischen dem Hochfrequenzeingang In1 und dem Hochfrequenzausgang
Out1 liegende, über den
dritten Kondensator C3, die Diode D1 und den ersten Kondensator
C1 führende
Hochfrequenzpfad unterbrochen.
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2 zeigt
eine Schalteinrichtung 2 aus mehreren elektronischen Schaltern 3.
Die Hochfrequenzeingänge
In1, In2 der beiden elektronischen Schalter 3 sind auf
einen gemeinsamen Eingang E geführt.
Die Hochfrequenzausgänge
Out1, Out2 führen
jeweils zu unterschiedlichen nicht dargestellten elektronischen
Einrichtungen. Jeder der beiden elektronischen Schalter 3 wird
durch jeweils eine Steuerspannung Usw1, Usw2 geschaltet.
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Ist beispielsweise einer der beiden
elektronischen Schalter 3 geschlossen und der jeweils andere geöffnet, so
kann es bei Verwendung eines in 1 dargestellten
elektronischen Schalters zu unerwünschten Verzerrungen kommen.
Die Verzerrung entsteht dabei an dem jeweils geschlossenen elektronischen
Schalter, wenn dessen Impedanz nicht konstant, sondern von der momentan
anliegenden Hochfrequenz-Wechselspannung abhängig ist.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen elektronischen
Hochfrequenz-Schalters 1, wobei über eine erste Hochfrequenz-Drosselinduktivität L1 an
der Anode der ersten Diode D1 die Steuerspannung Usw1 anliegt, die
Anode der zweiten Diode D2 mit der Kathode der ersten Diode D1 verbunden
ist, die Anode der zweiten Diode D2 über eine zweite Hochfrequenz-Drosselinduktivität L2 mit
einem gemeinsamen Bezugspotential GR verbunden ist und der Anode
der ersten Diode D1 und der Kathode der zweiten Diode D2 über einen dritten
Kondensator C3 der Hochfrequenzeingang In1 zugeführt ist. Die Anode der ersten
Diode D1 ist über
einen ersten Kondensator C1 und die Kathode der zweiten Diode D2
ist über
einen zweiten Kondensator C2 mit dem Hochfrequenzausgang Out1 verbunden.
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Der Diode D1 ist ein erster ohmscher
Widerstand R1 parallel geschaltet und der zweiten Diode D2 ist ein
zweiter ohmscher Widerstand R2 parallel geschaltet. Die beiden Widerstände R1 und
R2 weisen gleiche Widerstandswerte auf, die beispielsweise mehrere
Mega-Ohm betragen. Durch die parallel zu den Dioden geschalteten
Widerständen
R1 und R2 wird sichergestellt, daß bei geschlossenem elektronischem
Schalter 1 über
beiden Dioden D1 und D2 jeweils gleiche Anteile der dabei angelegten
Steuerspannung Usw1 abfallen. Das elektrische Verhalten beider Dioden
D1 und D2 bei gleichen elektrischen Bedingungen ist identisch. Ebenso
können
die beiden Hochfrequenz-Drosselinduktivitäten L1 und L2 vorzugsweise
gleiche elektrische Kennwerte aufweisen, insbesondere gleiche Induktivitäten und
gleiche ohmschen Widerstandswerte, wobei dies jedoch nicht zwingend
erforderlich ist.
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Die Art und Bemessung der verwendeten
kapazitiven Bauelemente C1, C2, C3 und induktiven Bauelemente L1,
L2 ist jedoch so zu wählen,
das eine eindeutige Trennung zwischen Hochfrequenz- und Gleichstrom-Pfaden
realisiert wird. Die Kondensatoren müssen im Bereich der verwendeten
Hochfrequenzschwingung nährungsweise
einen Kurzschluß und
im Bereich der Gleichspannung einem Leerlauf darstellen. Die Hochfrequenz-Drosselinduktivitäten L1,
L2 müssen
im Bereich der verwendeten Hochfrequenzschwingung nährungsweise
einen Leerlauf und im Bereich der Gleichspannung einen Kurzschluß darstellen.
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Die Funktion des beispielhaft dargestellten erfindungsgemäßen elektronischen
Schalters 1 ist wie folgend:
Zum Schließen des
elektronischen Schalters 1 wird der Wert der Steuerspannung
Usw1 in diesem Ausführungsbeispiel
so gewählt,
daß deren
negativer Betrag doppelt so groß ist
wie die kleinste bzw. negativste am Hochfrequenzeingang In1 auftretende Spannung.
Der elektronische Schalter 1 bleibt dadurch sicher in geschlossenem
Zustand, wobei die Steuerspannung Usw1 dabei beispielsweise einen Wert
von –600
Volt aufweist. Der Spannungswert der Steuerspannung Usw1 zum Öffnen des
elektronischen Schalters 1 beträgt beispielsweise +5 Volt und muß mindestens
so groß sein
wie die Summe der Diffusionsspannungen der im Gleichspannungspfad
in Reihe geschalteten Dioden D1 und D2.
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Da beide Dioden D1 und D2 gleichstrommäßig in Reihe
liegen und an ihnen jeweils gleiche Teile der angelegten Steuerspannung
Usw1 abfallen, weisen beide Dioden D1 und D2 bei spannungslosem Hochfrequenzeingang
In1 gleich Kapazität
auf. Bei einem in 4 schematisch
dargestellten Verlauf der Kapazität der Dioden D1 und D2 in Abhängigkeit
der an ihnen angelegten in Sperrichtung wirkenden Spannung, liegen
dabei die Arbeitspunkte beider Dioden D1 und D2 auf dem gleichen
Punkt, beispielsweise dem in 4 dargestellten
Punkt P0, welcher mit einer an jeweils einer der Dioden D1, D2 abfallenden
Spannung U0 eingestellt wird. Vorzugsweise wird die sperrende Steuerspannung
Usw1 so gewählt,
daß die
Spannung U0 in die Mitte eines weitgehend linearen Bereichs zu liegen
kommt.
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Die am Hochfrequenzeingang In1 anliegende
Spannung wirkt, anders als die Steuerspannung Usw1, an den Dioden
D1 und D2 jeweils in entgegengesetzte Richtungen. Beispielsweise
wirkt bei den durch eine zum gemeinsamen Bezugspotential GR negative
Steuerspannung Usw1 gesperrten Dioden D1 und D2, an welchen dadurch
die Spannung U0 wirksam wird, eine am Hochfrequenzeingang In1 auftretende
positive Spannung so, daß für die Diode
D1 der Arbeitspunkt in 4 nach
rechts verschoben wird und für
die Diode D2 nach links. Für
die Diode D2 bedeutet dies durch die Verkleinerung der Raumladungszone
an der Sperrschicht eine Zunahme ihrer Kapazität. Für die Diode D1 bedeutet dies
eine Verringerung ihrer Kapazität.
Die dabei resultierende Gesamt-Kapazität beider Dioden bleibt dabei
weitgehend gleich.
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5 zeigt
die in 3 dargestellte
Schaltung mit umgekehrter Polung der Dioden D1 und D2, wobei sich
dann auch die Polung der Steuerspannung Usw1 umkehrt.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen elektronischen
Schalters, wobei der ersten Diode D1 die zweite Diode D2 im Steuerspannungspfad,
in diesem Ausführungsbeispiel
also gleichstrommäßig, parallel
geschalteten ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Pol
der Steuerspannung Usw1 über
eine dritte Hochfrequenz-Drosselinduktivität L3 an
der Anode der ersten Diode D1 angeschlossen und über die zweite Hochfrequenz-Drosselinduktivität L2 mit
der Anode der zweiten Diode D verbunden. Die Kathode der ersten Diode
D1 liegt über
die erste Hochfrequenz-Drosselinduktivität L1 an dem anderen Pol der
Steuerspannung GR an und ist über
den Kondensator C1 an dem Hochfrequenzausgang Out1 angeschlossen. Die
Kathode der zweiten Diode D2 ist über eine vierte Hochfrequenz-Drosselinduktivität L4 an
dem anderen Pol der Steuerspannung GR und über einen vierten Kondensator
C4 an dem Hochfrequenzeingang In1 angeschlossen. Die Anode der ersten
Diode D1 und die dritte Hochfrequenz-Drosselinduktivität L3 sind über einen dritten Kondensator
C3 mit dem Hochfrequenzeingang In1 verbunden. Die Anode der zweiten
Diode D2 und die zweite Hochfrequenz-Drosselinduktivität L2 sind über einen zweiten Kondensator
C2 mit dem Hochfrequenzaungang Out1 verbunden.
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Im wesentlichen unterscheidet sich
das in 6 dargestellte
Ausführungsbeispiel
von dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel
darin, daß die
beiden Dioden D1 und D2 im Steuerspannungspfad nicht in Reihe geschaltet
sind, sondern parallel. Die zur Arbeitspunkteinstellung in 5 benötigten ohmschen Widerstände R1 und
R2 können
entfallen, der Betrag der Steuerspannung Usw1 kann kleiner gewählt, beispielsweise
halbiert werden, wobei sich die zur Schaltung der Dioden D1 und
D2 notwendige Leistung im wesentlichen nicht unterscheidet.
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In anderen Ausführungsbeispielen können auch
mehrere, voneinander unabhängige
Steuerspannung Usw1 verwendet werden. Bei Verwendung von beispielsweise
zwei voneinander unabhängigen Steuerspannungen
Usw1 kann jede Diode D1, D2 mit einer speziell an die jeweilige
Diode D1 oder D2 angepassten Steuerspannung geschaltet bzw. gesperrt werden.
Die Arbeitspunkte der Dioden können
so beispielsweise getrennt festgelegt werden und die Gesamtkapazität kann vorteilhafterweise
noch genauer konstant gehalten werden.
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7 zeigt
die in 6 dargestellte
Schaltung mit umgekehrter Polung der Dioden D1 und D2, wobei sich
dann auch die Polung der Steuerspannung Usw1 umkehrt.