DE2050783A1

DE2050783A1 - Schaltung für ein Netzteil

Info

Publication number: DE2050783A1
Application number: DE19702050783
Authority: DE
Inventors: John Battiscombe Mount Kisco N.Y. Gunn (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-10-16
Filing date: 1970-10-15
Publication date: 1971-04-29
Also published as: CA918749A; FR2085563A1; DE2050783C3; DE2050783B2; FR2085563B1; GB1291330A; US3602795A; JPS519455B1

Description

NTAITWALT

©ι τ., wo. B-. HOLZEß

PO AOQSBCKO

I. 90

Augsburg, den 13. Oktober 1970

International Business Machines Corporation, Armonk,

N.Y. 10504, V.St.A.

Schaltung für ein Netzteil

Die Erfindung betrifft Schaltungen für Netzteile, welche eine an zwei Eingangsklemmen anliegende hohe Spannung in eine niedrigere Spannung an zwei Ausgangsklemmen umformen.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Schaltungen zur Umformung einer Eingangsspannung mit hoher Amplitude in

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eine Gleichspannung mit niedriger Amplitude und insbesondere auf Netzteil-Schaltungen für elektronische Geräte beispielsweise für Rechner.

Die am häufigsten verwendeten Netzteil-Schaltungen weisen Transformatoren auf, welche zunächst die Eingangswechselspannung heruntertransformieren. Anschließend wird diese heruntertransformierte Spannung in die für die Belastung erforderliche Gleichspannung umgeformt. Es ist bereits bekannt, Spannungen von einem Wert auf einen anderen Wert umzuformen, indem von Reihen- und Parellelverbindungen zwischen Kondensatoren Gebrauch gemacht wird. Beispielsweise ist dem Fachmann die Verwendung von Kondensatoren, welche in Parallelschaltung aufgeladen und in Reihenschaltung entladen werden, zum Hinauftransformieren einer Gleichspannung bekannt.

Die Verwendung von Transformatoren in einem normalen Netzteil bringt viele Nachteile mit sich, beispielsweise in bezug auf Größe und Gewicht und wegen der zwischen dem Netz und der Belastung bestehenden Verbindung über den Transformator, welche bewirken kann, daß Spannungsspitzen vom Netz auf das mit dem Netzteil versehene elektronische Gerät und außerdem -Daten in diesem Gerät, welches beispielsweise ein Rechner sein kann, zurück in das Netz übertragen werden. Bislang stand keine Art- von Netzteil-Schaltung zur Verfügung, welche die genannten Nachteile nicht aufwies.

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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Schaltung für ein Netzteil derart auszulegen, daß kein Transformator erforderlich ist. Außerdem soll diese Netzteil-Schaltung, welche am Eingang eine Netzwechselspannung empfängt und am Ausgang eine Gleichspannung niedrigeren Wertes liefert, verbessert werden, und schließlich sollen Belastung und Netz voneinander getrennt sein und die Netzteil-Schaltung soll eine geregelte Ausgangsspannung liefern.

Im Sinne der Lösun g dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Schaltung für ein Netzteil, welches eine an zwei Eingangsklemmen anliegende hohe Spannung in eine niedrigere Spannung an zwei Ausgangsklemmen umformt und welches gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Vielzahl von Schaltungsstufen vorgesehen sind, welche jeweils einen Kondensator und jeweils zwei verschiedene Stromsteuerelemente aufweisen, daß ferner in jeder Schaltungsstufe eines der beiden Stromsteuerelemente und der Kondensator zu einer Teilschaltung in Reihe zusammengeschaltet sind und daß weiter diese einen Teilschaltungen sämtlicher Schaltungsstufen in Reihenschaltung zu einer Ladeschaltung zwischen den beiden Eingangsklemmen miteinander verbunden sind, daß fernerhin in jeder Schaltungsstufe das andere Stromsteuerelement und der Kondensator zu einer anderen

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Teilschaltung in Reihe zusammengeschaltet sind und daß weiterhin alle diese anderen Teilschaltungen in Paralelschaltung zu einer Entladeschaltung zwischen den beiden Ausgangsklemmen miteinander verbunden sind, und daß schließlich die in jeder Schaltungsstufe angeordneten beiden Stromsteuer- ■ elemente derart miteinander verbunden sind, daß das eine stets dann nichtleitend ist, wenn das andere leitend ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung für Netzteile weist keinen Transformator auf. Durch die Verwendung einer elektronischen Schaltung, welche aus Pestkörperbauelementen und Kondensatoren besteht und damit wenig Platz beansprucht, ergibt sich gemäß der Erfindung eine Schaltung, welche weder übermäßig komplex noch teuer ist, bei welcher außerdem Belastung und Netz voneinander getrennt sind und bei welcher die Ausgangsspannung leicht regelbar ist. Diese Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltung werden dadurch erzielt, daß die an ihr anliegende Netzspannung, meist eine Wechselspannung, eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren ) auflädt, welch letztere sodann in- Parallelschaltung entladen werden und die erforderliehe niedrige Gleichspannung an die Belastung abgeben. Die Steuerung während des Aufladens und des Entladens erfolgt vollständig innerhalb der Schaltung mittels der jeweils einem Kondensator zugeordneten beiden Stromsteuerelemente, von welchen eines in der Ladeechaltung und

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eines in der Entladeschaltung liegt und welche derart miteinander verbunden sind, daß immer nur eines dieser beiden Stromsteuerelemente gleichzeitig leiten kann. Auf diese Weise wird das Laden und Entladen gesteuert und sind das Netz und die Belastung niemals gleichzeitig betriebsmäßig mit dem Kondensator verbunden. Durch das Hinzufügen einer geringen Anzahl elektronischer Bauelemente werden Trennung, Zweiweggleichrichtung und Regelung der Ausgangsspannung erzielt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, als Beispiel dienenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, welche in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, die im einzelnen zeigen:

Pig, 1 einen Schaltplan einer erfin

dungsgemäßen Netzteilschaltung mit Einweggleichrichtung,

Pig. IA in einem Diagramm die Spannung

als Punktion der Zeit an einer der Eingangsklemmen der in Pig. I dargestellten Schaltung,

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Pig. IB schematisch diejenigen Bauelemente

der in Pig. I dargestellten Schaltung, welche eine Parallelentladungsausgangsschaltung bilden,

Fig. 2 einen Schaltplan einer Netzteil

schaltung nach der Erfindung, welche zusätzliche Bauelemente zur Trennung aufweist und dann verwendet wird, wenn eine Zweiweggleichrichtung erwünscht ist, und

Fig. 3 einen Schaltplan noch einer wei

teren Ausführungsform einer Netzteilschaltung nach der Erfindung, welche mit Einrichtungen zur Regelung der Ausgangsspannung versehen ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung zeigt eine Ausführungsform einer Netzteil-Schaltung zum Transformieren und Gleichrichten einer hohen Eingangswechselspannung bzw. Eingangswechselstromleistung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung bzw. Ausgangsgleichstromleistung. Diese Schaltung ist nicht "voll ausgebildet", weil mittels ihr nur eine

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Einweggleichrichtung der Eingangswechselstromleistung erzielbar ist und weil die Eingangs (Netz)- und Ausgangs (Belastung) -Schaltungen nicht voneinander getrennt sind. Die Eingangsschaltung in Fig. 1 ist eine Wechselspannungsquelle 12, welche eine hohe Wechselspannung an zwei Klemmen 12A und 12B liefert. Die Schaltung zum Transformieren und Gleichrichten dieser Eingangswechselspannung ist innerhalb eines gestrichelten Kastens 13 dargestellt. Diese Schaltung kann so betrachtet werden, als weise sie zwei mit 13A und 13B bezeichnete Eingangsleitungen auf, welche mit den Klemmen 12A und 12B verbunden sind, sowie zwei Augangsleitungen 13C und 13D, welche mit Klemmen l4A und l4B einer Belastungsschaltung verbunden sind, welch letztere allgemein als ein Kasten 14 dargestellt ist.

Die Netzteil-Schaltung 13 hat die Aufgabe, die von der Spannungsquelle 12 empfangene Wechselspannung in eine Gleichspannung niedrigeren Wertes umzuwandeln, welche an der Belastungsschaltung anliegt. Die Schaltung ist hier als Netzteil-Schaltung bezeichnet, da sie typischerweise in elektronischen Geräten , wie beispielsweise einem Rechner Anwendung findet, welcher mit einer niedrigen Gleichspannung arbeitet und an Stromversorgungsleitungen angeschlossen ist, die eine höhere Wechselspannung führen. Die Aufgabe des Transformierens übernimmt in der Schaltung eine Gruppe von Kondensatoren, welche

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in Reihenschaltung durch die Wechselspannungsquelle 12 aufgeladen und in Parallelschaltung über die Belastung 14 entladen werden. Bei der in Pig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind drei dieser Kondensatoren mit 15-1, 15-2 und 15-3 bezeichnet und die Schaltung kann so betrachtet ' werden, als weise sie drei Schaltungsstufen auf, wobei jeweils eine dieser Schaltungsstufen jeweils einem dieser Kondensatoren zugeordnet ist. Aus der folgenden Besehreibung dieser Ausführungsform bzw. weiterer Ausführungsformen der Erfindung geht noch klarer hervor, daß die Netzteil-Schaltung jede beliebige Anzahl von Schaltungsstufen aufweisen kann, wobei die zusätzlichen Schaltungsstufen mit der dem Kondensator 15-2 zugeordneten mittleren Schaltungsstufe identisch sind. Die oberen und unteren Schaltungsstufen können jeweils etwas verschiedene Schaltungs- bzw. Bauelemente aufweisen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen, den Anschlußleitungen I3A und I3B eine Reihenschaltung gebildet, welche Dioden I6-I, 16-2, I6-3 und die Kondensatoren 15-1, 15-2 und 15-3 aufweist. Wenn die Spannung aus der Spannungsquelle 12 derart ausgebildet ist, daß die Spannung an der Klemme 12A positiv ist, so liegt die richtige Polarität für einen Stromfluß durch diese Reihenschaltung hindurch vor. Die Wechselspannung an der Klemme 12A ist in Pig. IA mit der positiven Spannungsschwingung zwischen Zeiten t und t. dargestellt, welch letztere einen Stromfluß in

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der die drei Kondensatoren aufweisenden Reihenschaltung be- . wirkt. Tatsächlich ist diese Reihenschaltung zwischen den Klemmen 13A und 13B so lange nicht leitend, bis die an dieser Schaltung anliegende Spannung höher ist als die Summe der Durchlaßspannungsabfälle der drei Dioden 16-1, 16-2 und I6-3. Jede dieser Dioden hat einen Spannungsabfall von etwa 1 V. Wenn die angelegte Spannung nach dem Zeitpunkt t (Fig. IA) eine ausreichende Spannungshöhe erreicht hat, beginnt ein Stromfluß in der Reihenschaltung die Kondensatoren 15-1, 15-2 und 15-3 aufzuladen. Das bedeutet, daß mit dem Aufladen sämtlicher drei Kondensatoren im gleichen Zeitpunkt begonnen wird und daß jeder dieser drei Kondensatoren, da sie in Reihe geschaltet sind, den gleichen Ladestrom empfängt.

Während dieser Aufladeperiode, d.h. wenn die Klemme 12A in bezug auf die Klemme 12B positiv ist,fließt kein Strom durch die Parallelschaltungen, welche nur während der Kondensatorentladung aktiv sind. Gemäß der Darstellung in Pig. I weisen diese Parallelschaltungen drei Transistoren I8-I, 18-2, 18-3 und zwei Dioden 20-1 und 20-2 auf. So lange die angelegte Spannung positiv ist, kann der Versorgungsstrom nicht durch die Dioden 20-1 und 20-2 hindurchfließen. Im gleichen Zeitraum, in welchem die Dioden I6-I, 16-2 und I6-3 leitend sind, ist ein geringer Spannungsabfall an jeder dieser Dioden vorhanden und die Basis der Transistoren 18 wird jeweils in bezug auf deren Emitter positiv gehalten. Da es sich bei diesen Transistoren um pnp-Transistoren handelt, sind die

Emitteranschlüsse umgekehrt vorgespannt und es fließt deshalb kein Strom durch diese Transistoren, Dieser Zustand bleibt bestehen, wenn die Spannung bis zu ihrem positiven Maximalwert ansteigt, welcher in Pig. IA mit V_M bezeichnet ist. Die drei Kondensatoren 15 sind jeweils auf eine Spannung aufgeladen, welche jeweils geringer ist als ein Drittel der um die Summe der Durchlaßspannungsabfälle in dem übrigen Teil der Schaltung, welcher die Dioden 16 aufweist, verminderten Spannung V... Die Polarität der in diesem Zeitpunkt auf den Kondensatoren vorhandenen Ladungen ist in Pig. I angegeben.

Wenn die Spannung zwischen den Klemmen 12A und 12B durch den Maximalwert V"_M hindurchgeht und abzunehmen beginnt, nähern sich jeweils die Spannungsabfälle an den drei Dioden 16-1, 16-2 und 16-3 dem Wert Null und nehyen in demjenigen Zeitpunkt einen negativen Wert an, in welchem der Wert der angelegten Spannung geringer ist als die in den drei Kondensatoren gespeicherte Gesamtspannung. In diesem Zeitpunkt ist dann die Aufladereihenschaltung nichtleitend und es ist kein Durchlaßspannungsabfall an den Dioden 16 vorhanden, welcher ein Leiten der Transistoren 18 verhindern könnte.

Das Sperren der Dioden 16 und das Beendigen des Aufladens der Kondensatoren 15 erfolgt sehr kurz nach dem Zeitpunkt, in welchem die Versorgungsspannung von ihrem Maximalwert V_M abzunehmen beginnt· Das hat zur Folge, daß die Dioden 16 um-

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JU

gekehrt vorgespannt sind und daß die Basis-Emitter-Verbindungen bzw. der Transistor 18-1 eine Vorspannung in Durchlaßrichtung haben, so daß dann ein. schwacher Strom durch den Widerstand 22-1 hindurchfließt, welch letzterer die Anschlußklemme 12A der Versorgungsspannungsquelle mit"der Basis des Transistors 18-1 in der ersten Schaltungsstufe verbindet. Damit fließt ein Strom durch die Emitter-Kollektor-. Schaltung des Transistors 18-1, welcher größer ist als der zur Basis fließende Strom. Dieser größere Strom fließt durch einen Widerstand 22-2 zur Basis des Transistors 18-2. Die beschriebene Wirkung wiederholt sich und es wird ein größerer Stromfluß durch den Transistor 18-2 hindurch erzeugt, was wiederum ein Einschalten des Transistors 18-3 mit einem noch größeren Stromfluß in dessen Emitter-Kollektor-Schaltung zur Folge hat.

Demgemäß steuern die Transistoren 18-1, 18-2 und 18-3 einander von oben nach unten derart, daß der unterste Transistor 18-3 als erster scharf einschaltet und seinen ihm zugeordneten Kondensator 15-3 entlädt und an die Belastung

14 Strom liefert. Die Bauelemente der Parallelentladeschaltungen, welche an die Belastung Strom liefern, sind

schematisch in Pig. IB dargestellt. Der Kondensator 15-3 beginnt, gesteuert von der Leitung durch den Transistor 18-3, sich in einem Zeitpunkt ta (vgl. Fig. IA) als erster zu entladen und Strom an die Belastung 14 abzugeben. Wenn die Ver-

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sorgungsspannung weiterhin abnimmt, beginnt die Diode 20-2 zu leiten und der Kondensator 15-2, welcher zu dem Kondensator 15-3 parallelliegt, über die Belastung zu entladen. Wenn schließlich die Versorgungsspannung weiterhin abnimmt, wird die Diode 20-1 leitend und der Kondensator 15-I beginnt sich in einem Zeitpunkt t über die Belastung 14 zu entladen.

Es sei hier besonders vermerkt, daß die komplementäre Tätigkeit, welche durch die Verbindung zwischen der Diode und dem Transistor 18 in jeder der drei Schaltungsstufen hervorgerufen wird, sicherstellt, daß die Kondensatoren jeweils entweder über die Diode 16 mit der Versorgungsspannung oder über die Emitter-Kollektor-Schaltung der Transistoren 18 mit der Belastung, aber niemals mit beiden gleichzeitig, verbunden sind. Wenn irgendeine der Dioden 16 leitend ist, ist der ihr zugeordnete Transistor 18 abgeschaltet und , gleichermaßen, wenn irgendeiner der Transistoren leitend ist, kann kein Strom durch die diesem zugeordnete Diode hindurchfließen.

Wenn die drei Kondensatoren 15 einmal begonnen haben,

sich zu entladen, kurz nachdem der Maximalwert V erreicht ist

und die Versorgungsspannung abzunehmen beginnt, wie oben bereits beschrieben, setzt sich die Entladung über die Belastung über den negativ verlaufenden Anteil der Versorgungsspannungsschwingung bis zum Zeitpunkt t„ fort. Die Transistoren 18-1,

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l8-2 und 18-3 schalten in der gegebenen Reihenfolge ab und die Entladung der Kondensatoren über die Belastung wird beendet, wie sie begonnen hat, indem der Kondensator 15-I als erster und der Kondensator 15-3 als letzter von der Belastung getrennt wird. Das Aufladen sämtlicher Teilkondensatoren beginnt kurz danach und der oben beschriebene Vorgang wiederholt sich, wenn die positive

angelegte Spannung derart hoch ansteigt, daß die Dioden 16-1, 16-2 und I6-3 in der Reihenladeschaltung leitend werden. Es sei hier besonders vermerkt, daß während des ersten Betriebszyklus eine viel größere Ladung über einen größeren Teil der positiven Hälfte der Versorgungsspannungsschwingung hinweg den Kondensatoren 15 zugeführt wird. Das ist deshalb der Fall, weil die Kondensatoren am Anfang ungeladen sind und weil die Versorgungsspannung nur geringfügig anzusteigen braucht, um den Spannungsabfall an den drei in Reihe geschalteten Dioden l6 zu überwinden und damit mit dem Aufladen zu beginnen. Bei dem anschließenden Entladevorgang wird jedoch nur ein geringer Teil der Ladung an die Belastung abgegeben und, wenn die Versorgungsspannung im Zeitpunkt tp wieder positiv ist, beginnt der leitende Zustand in der Reihenschaltung so lan^e nicht, bis die Versorgungsspannung um einen den Durchlaßapannurißsabfall an den drei Dioden 16 übersteigenden Betrag größer ist ala die in den drei Kondensatoren gespeicherte spannung.

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Während des ersten Betriebszyklus werden die Kondensatoren während eines beträchtlichen Teiles des positiven Anstieges der Versorgungsspannungsschwingung aufgeladen, weleher angenähert gleich der Hälfte der Zeitspanne t bis t^ ist und welcher selbstverständlich geringer ist als ein Viertel der Gesamtperiode der Eingangswechselspannung. Während darauffolgender Betriebszyklen ist die Aufladezeit viel kürzer und kann sich im Abhängigkeit von den Kennwerben der verwendeten Kondensatoren und der tatsächlich an die Belastung abgegebenen Ladungsmenge ändern. In jedem Falle ist die Entladezeit, während welcher jeder Kondensator eine Spannung an die Belastung abgibt, länger als die Hälfte der Periode der Versorgungswechselspannung (t_Q bis t₂) und die Aufladezeit ist viel kürzer als die Hälfte und tatsächlich im allgemeinen kürzer als ein Viertel der Versorgungsspannungsperiode.

Wie oben bereits erwähnt, sind die Kondensatoren gleichzeitig entweder in Reihenschaltung mit der Versorgungsspannungsquelle oder in Parallelschaltung mit der Belastung verbunden, aber niemals mit beiden gleichzeitig. Da jeder der Ladekondensatoren in einer Reihenschaltung aufgeladen wird und jeweils die gleiche Ladung empfängt, sind die von den Kondensatoren 15 und Transistoren 18 an die Belastung I^ abgegebenen mittleren Ströme während der Entladung (Pig. IB) jeweils gleich groß. Das ist ein wichtiger Gesichtspunkt, da beim herkömmlichen Parallelbetrieb von Schalttransistoren

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die Stromteilung durch die Verwendung von Emitterserienwider ständen erzwungen werden muß, welche im vorliegenden Fall nicht erforderlich sind. Weiterhin werden die Widerstände 22 für die Basisverbindungen der Transistoren in bezug auf die Schaltung derart ausgewählt, daß die Transistoren während des Ladens jeweils im Sättigungsbereich ihrer Kennlinie betrieben werden. Demgemäß stellt während der Entladung das angenähert lineare Ansprechen der Transistoren auf Spannunsunterschiede an den Kondensatoren sicher, daß sich ein Kondensator mit einer ungewöhnlich hohen Spannung mit Bezug auf den Mittelwert stärker und ein Kondensator mit einer niedrigen Spannung weniger stark entlädt. Auf diese Weise werden, trotz Unterschieden zwischen den Bauelementen, die Kondensatorspannungen ausgeglichen. Obgleich sich die Kondensatoren während jeder Schwingung in jeweils unterschiedlichen Zeitspannen entladen, d.h. obgleich der Kondensator 15~3 in der untersten Schaltungsstufe während der längsten Zeitspanne und der Kondensator 15-1 während der kürzesten Entla dungszeitspanne während jeder Schwingung mit der Belastung verbunden ist, ergeben sich daraus wegen der oben beschriebenen SelbstauBgleichwirkung keine Schwierigkeiten.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß jede der Schaltungsstufen der erfindungsgemäßen Schaltung als eine Schaltungstufe betrachtet werden kann, welche vier Anschlußklemmen 29A,

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29B, 29C und 29D aufweist, die für die erste Schaltungsstufe dargestellt sind. Die Anschlußklemmen 29A und 29B jeweils der Schaltungsstufen sind in Reihenschaltung miteinander verbunden und bilden die Reihenladeschaltung. Jeweils die Anschlußklemmen 29C und 29D der Schaltungsstufen sind parallelgeschaltet und bilden die Parallelentladungsschaltung für die Belastung.

In Fig. 2 ist schematisch eine der in Fig. 1 dargestellten Netzteil-Schaltung ähnliche Netzteil-Schaltung dargestellt, bei welcher gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Schaltung Bauelemente hinzugefügt worden sind, so daß eine Trennung erreicht wird. Durch diese Trennung wird eine Schaltung festgelegt, in welcher entweder die eine oder die andere Seite der Belastung (Klemmen I¹JA oder l4B) mit der einen oder mit der anderen Seite des Netzes (Klemme 12A oder 12B) derart verbunden werden können, daß keine Störung des Schaltungsbetriebes und nur ein minimaler Leckstrom (etwa 100/<Ά bzw. weniger) in den Leitungsverbindungen auftritt. Mit dieser Art der Trennung können zwei der Halbwellenschaltungen verwendet und dadurch eine Zweiweggleichrichtung erreicht und die meisten Sicherheitsanforderungen eingehalten werden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung dienen in bezug auf die Darstellung in Fig. 1 gleiche Bezugszahlen zur Kennzeichnung von Bauelementen, welche beide Figuren gemeinsam haben. Zu den zusätzlichen Bauelementen in Fig. 2 gehören

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drei Transistoren 30-1, 30-2 und 30-3, drei Dioden 32-2 32-3 und drei Widerstände 31-1 i 31-2 und 31-3. Weiterhin ist eine Diode 20-3 und sind Dioden 36 und 38 zu der letzten bzw. untersten Schaltungsstufe und ist eine Diode 40 zu der ersten bzw. obersten Schaltungsstufe hinzugefügt worden. Diese zusätzlichen Bauelemente sind in den oberen und unteren Schaltungsstufen zur Erzielung richtiger Trennung erforderlich. Außerdem sind die Widerstände 22-1 und 31-3 aus demgleichen Grund in voneinander abweichender Schaltungsweise in die obere bzw. untere Schaltungsstufe eingefügt worden.

Die zusätzlichen Bauelemente in der in Fig. 2 dargestellten Schaltung, d.h. die Dioden 32-1, 32-2 und 32-3 und die Transistoren 30-1, 30-2 und 30-3 haben die Aufgabe sicherzustellen, daß die Belastung 14 und das Netz 12 unabhängig von der Polarität der an ihnen angelegten Spannungen voneinander getrennt sind. Demnach kann beispielsweise wegen der mit der Emitter-Kollektor-Schaltung des Transistors I8-I in Reihe liegenden Diode 32-1 nur dann ein Strom in den Kollektor fließen, wenn die Basis eingeschaltet ist, unabhängig von der Polarität der Kollektor-Basis-Spannung. Das gleiche gilt für die Emitter-Kollektor-Schaltung des Transistors 30-1, zu welcher die Diode 20-1 in Reihe geschaltet ist. Der Transistor 30-I ist in komplementärer Weise mit der Diode 16-2 derart verbunden, daß in gleicher Weise, wie für gleiche Bauelemente

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in bezug auf die Darstellung in Pig. 1 bereits beschrieben, eine Stromleitung nur entweder über die Diode oder über den Transistor, jedoch nicht über beide gleichzeitig, möglich ist. Das gleiche gilt für die Verbindung zwischen dem Transistor 30-2 und der Diode 16-3 bzw. dem Transistor 30-3 und derD Diode 36, welche aus dem gleichen Grund der Schaltung hinzugefügt worden ist. Eine Diode 40 ist der ersten Schaltungsstufe und eine Diode 38 der letzten Schaltungsstufe hinzugefügt worden und die Verbindungen über die Widerstände " 22-1 und 31-3 in diesen Schaltungsstufen sind geändert worden, um die Größe des Treiberstromes zur Steuerung der Leitung über die Transistoren 18-1 und 30-3 unabhängig von irgendeiner Verbindung zwischen dem Netz und der Belastung zu machen.

In vielen Fällen mag es schwierig bzw. unmöglich sein, Transistoren zu erhalten, welche die erforderliche Kombination von Stromverstärkung und Kollektordurchbruchsspannung zur Erzielung des gewünschten Betriebes in der ersten und letzten | Schaltungsstufe aufweisen. In diesen Fällen können die Transistoren 18-1 und 30-3 durch eine Reihenschaltung von zwei oder sogar drei Transistoren ersetzt werden, wobei jeder dieser Transistoren ein Emitterfolger ist, welcher die Basis des nächstfolgenden Transistors in herkömmlicher Weise zur Erzielung eines hohen Stromgewinnes treibt bzw· steuert. Diese Art der Schaltungsanordnung hilft bei der Erzielung der erwünschten Trennung mittels herkömmlicher Bauelemente und bei der Mini-

misierung des zur Einschaltung der Transistoren 18-1 und 30-3 erforderlichen Stromes und bei der Einleitung des Entladungsbetriebes der Kondensatoren mit.

Es kann dann erforderlich sein, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung in der Schaltung an den Dioden 40 und 38 vergrößert wird und daß zur Erzielung der gewünschten Trennwirkung und zur Steuerung des Betriebes der zugeordneten Transistoren 18-1 und 30-3 anstelle von einer Diode zwei oder sogar drei in Reihe geschaltete Dioden verwendet werden. Bei vorhandener Trennung ist es möglich, wie oben bereits dargelegt, zwei identische Schaltungen zur Durchführung einer Zweiweggleichrichtung einer mittels der Spannungsquelle 12 angelegten Eingangsspannung zu erreichen. Die Einzelheiten einer einzelnen Schaltung sind in Fig. 2 dargestellt und eine identische Schaltung ist mit zwei Eingangsleitungen 13A¹ und 13B· und mit zwei Ausgangsleitungen 13C und 13D¹ zur Erzielung der Zweiweggleichrichtung verbunden. Die Leitungen 13A¹ und 13B¹ sind gemäß der Darstellung in Fig. 2 mit der Spannungsquelle 12 und die Leitungen 13C¹ und 13D¹ mit der Belastung 14 verbunden. Die übrigen Teile dieser Schaltung, welche nicht dargestellt ist, sind mit den gemäß der Darstellung in Fig. 2 zwischen die Eingangsleitungen 13A und 13B und die Ausgangsleitungen 13C und !3D geschalteten Schaltungs- bzw. Bauelementen identisch.

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Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung ist die erfindungsgemäße Netzteil-Schaltung nicht nur getrennt, sondern weist auch eine Regeleinrichtung auf* Jede Schaltungsstufe der hier dargestellten Schaltung weist eine fünfte Anschlußklemme 29E auf, welche mit einer Steuerleitung 13E verbunden ist. Die der Schaltung zur Erzielung einer Regelung hinzugefügten hauptsächlichen Bauelemente sind Transistoren 41-1, 41-2, 41-3 und Dioden 42-1, 42-2 und 42-3, welche die Kollektoren dieser* Transistoren an die Ausgangssteuerleitung 13E der Schaltung anschließen. In der oberen Schaltungsstufe ist die in Fig. 2 dargestellte einzelne Diode 40 durch drei in Reihe geschaltete Dioden ersetzt worden, wodurch ein größerer Spannungsabfall erzielt wird. Ein weiterer Transistor 44 ist aus den weiter oben bereite genannten Gründen zur Erzielung einer Stromverstärkung hinzugefügt worden, d.h. zur Verbesserung der Trennung und zur Minimisierung des Leckstromes. Aus dem gleichen Grund ist in der unteren Stufe die Diode 38 aus Fig. 2 durch drei in Reihe geschaltete Dioden 3ßA, 38B und 38C, der Widerstand 31-3 durch drei Widerstände 31-3A, 31-3B und 31-3C und der Transistor 30-3 durch drei Transistoren 3O-3A, 3O-3B und 3O-3C ersetzt worden, welch letztere eine Reihenschaltung von Emitterfolgern zur Erzielung einer höheren Stromverstärkung bilden.

Im Betrieb der in Fig. 3 dargestellten Schaltung steuern die Transistoren 18-1, 18-2 und 18-3 die Ausgabe bzw. die

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Ausgangsspannung und werden deshalb nicht notwendigerweise im Sättigungsbereich betrieben. Die Schalttransistoren 41-1, 41-2, 41-3, 30-1, usw. werden jedoch in Sättigung betrieben und die oben genannten Selbstausgleichseigenschaften der Schaltung werden aufrechterhalten. Genauer gesagt heißt das, wenn aus irgendeinem Grund eine unterschiedliche Spannung an dem Kondensator in einem der parallelen Zweige der Ausgangsschaltung liegt, stellt der Sättigungsbetrieb der Transistoren 41-1, 41-2 und 41-3, deren Kollektor während der Entladung jeweils auf gleichem Potential liegt, sicher, daß die Spannung an dem Kondensator im wesentlichen gleich bleibt, genau wie bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, bei welcher die Sättigung des Transistors 18 dieses Ergebnis zuwege bringt.

Der Betrieb der in Fig. 3 dargestellten Schaltung spielt sich in oben beschriebener gleicher Weise ab, d.h. während der positiven Halbschwingung der Spannung an der Anschlußklemme 13A werden die Kondensatoren 15-1, 15-2 und 15-3 in der Reihenschaltung, welche die Dioden 16-1, 16-2 und 16-3 aufweist, aufgeladen. In diesem Zeitpunkt stellt der Spannungeabfall an diesen Dioden sicher, daß die Transistoren nicht leiten. Nach Beendigung der Aufladung am Maximalwert der positiven Halbschwingung werden die Transistoren angeschaltet, wobei jeder Transistor in jeder Schaltungsstufe den nächsten Transistor so lange steuert, bis sämtliche Tran-

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sistoren in jeder Schaltungsstufe leitend sind und sich die Kondensatoren 15 in Parallelschaltung über die Belastung entladen, welch letztere zwischen die Leitungen 13C und 13D geschaltet ist. Wenn demzufolge, die mittlere Schaltungsstufe soll hier als stellvertretend betrachtet werden, die Versorgungsspannung ausreichend weit abgesunken ist, liegt ah der Diode 16-2 eine umgekehrte Vorspannung und der Transistor 41-2 ist durch den Stromfluß über den Widerstand 22-2 zur Basis des Transistors hin eingeschaltet. Das ermöglicht einen Stromfluß über die Emitter-Kollektor-Verbindung des Transistors 41-2 in einem Maße, welches durch die Spannung der Steuerleitung 13E in bezug auf den Emitter des Transistors 18-2 festgelegt ist. Der Kollektor des Transistors 41-2 ist mit der Steuerleitung 13E und der Emitter mit der Basis des Transistors 18-2 verbunden, welch letzterer damit wirkungsmäßig mit der Steuerleitung 13E dann verbunden ist, wenn in dem Widerstand 22-2 ein Strom fließt. Der Entladestrom aus dem Kondensator 15-2 fließt auf einer Seite des Kondensators über die Emitter-Kollektor-Schaltung des Transistors 18-2 und die Diode 32-2 zur Leitung 13D. ψ Auf der anderen Seite des Transistors wird der Stromkreis über die Emitter-Kollektor-Schaltung des Transistors 30-2 und die Diode 20-2 zur Ausgangsleitung 13C hin geschlossen. Die Regelung der Spannung wird durch Steuern der Spannung der Steuerleitung 13E mittels eines Signales erzielt, welches durch eine Steuerverstärker- und Bezugsspannungseinrichtung in Abhängigkeit von Unterschieden zwischen dem Ist-Wert der Ausgangsspannung an der Belastung 14 und dem Soll-Wert der

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Ausgangsspannung erzeugt wird. Das Signal auf der Steuerleitung ändert sich derart in einer Richtung, daß eine negative Rückkopplung erzeugt wird, wie in geregelten Netzteilen herkömmlicher Bauart, so daß der Fehler zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert der Ausgangsspannung vermindert wird. Da die Kollektoren der Transistoren 41 während des Entladens wirkungsmäßig miteinander verbunden sind, wer* den sämtliche Transistoren. 18 in gleicher Weise durch das Signal auf der Ausgangssleitung 13E gesteuert und die Ausgangsspannung wird auf den Soll-Wert geregelt. Die Rückkopplung für die Steuerung wird gemäß der Darstellung in Fig. 3 durch einen Transistor 50 bewirkt, welcher wiederum durch die in herkömmlicher Weise ausgeführte Steuereinrichtung 52 gesteuert wird, welch letztere einen Steuerverstärker und eine BezugsSpannungsquelle aufweist.

Wie bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, kann die Halbwellenschaltung, d.h. die mit Einweggleichrichtung arbeitende Schaltung gemäß der Darstellung in Fig. 3»auch in Fällen verwendet werden, in welchen eine Zweiweggleichrichtung erforderlich ist, indem zwei identische Schaltungen der in Fig. 3 dargestellten Art mit den Eingangsleituhgen der zusätzlichen Schaltung (entsprechend Leitungen 13A und 13B) umgekehrt mit der Versorgungsquelle 12 und indem die Ausgangsleitungen (entsprechend Leitungen 13C und 13D) direkt mit der Belastung verbunden werden. Die gleiche Steuer-

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schaltung 52 kann mit den Ausgängen und Steuerleitungen beider Schaltungen zur Durchführung der erforderlichen Steuerung der Spannungsregelung verbunden sein.

Obgleich oben eine analoge Art der Steuerung für die Spannungsregelung beschrieben worden ist, kann auch eine Umschaltregelung von der allgemein in Netzteilen verwendeten Art verwendet werden. Obgleich sich weiterhin die Hauptanwendung der Erfindung auf die Gleichrichtung und Trans-

^ formation einer Eingangswechselspannung bezieht, können die Lehren der Erfindung und die erfindungsgemäßen Schaltungen auch ohne Schwierigkeiten zur Umwandung einer hohen Gleichspannung in eine niedrige Gleichspannung verwendet werden. Bei derartigen Anwendungsfällen wird ein freilaufender Schalter zum periodischen Anlegen und Abtrennen der Eingangsspannung und der Netzteil-Schaltung verwendet. In gleicher Weise kann diese Art eines gesteuerten Umschaltens zur Erzeugung einer Wechselspannung verwendet werden. Es ist außerdem klar, daß sich der Betrag der erzielten Spannungstraneformation mit der

" Anzahl der verwendeten Schaltungsstufen ändert. In einigen Anwendungsfällen, beispielsweise bei komplexen Maschinen, kann es erforderlich sein, daß die Netzwechselspannung zunächst in eine Gleichspannung von beispielsweise 30 V mit Hilfe der erfindungsgemäßen und oben beschriebenen Schaltung umgewandelt wird. Die Ausgangsspannung von 30 V wird sodann durch die Maschine hindurch übertragen und örtlich mit Hilfe von Schal-

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tungen nach der Erfindung in eine Spannung von 3 V umgewandelt, bei welcher die Schaltungen der Maschine arbeiten. Bei einem derartigen System sind die Schaltungen zum Transformieren und Gleichrichten der Netzwechselspannung auf
30 V voneinander getrennt, müssen jedoch nicht geregelt sein, während die örtlichen Umformschaltungen zwar geregelt sind, jedoch nicht voneinander getrennt zu sein brauchen.

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Claims

Patentansprüche:

IJ Schaltung für ein Netzteil, welches eine an zwei Eingangsklemmen anliegende hohe Spannung in eine niedrigere Spannung an zwei Ausgangsklemmen umformt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Schaltungsstufen (1, 2, 3) vorgesehen sind, welche jeweils einen Kondensator (15-1, 15-2, 15-3) und jeweils zwei verschiedene Stromsteuerelemente (I6-I, 16-2 bzw. 16-3 bzw. I8-I, 18-2, I8-3) aufweisen,

ψ daß ferner in jeder Schaltungsstufe eines der beiden Stromsteuerelemente (16-1 bzw. 16-2 bzw. I6-3) und der Kondensator (15-1 bzw. 15-2 bzw. 15-3) zu einer Teilschaltung in Reihe zusammengeschaltet sind und daß weiter diese einaiTeilschaltungen sämtlicher Schaltungsstufen in Reihenschaltung zu einer Ladeschaltung zwischen den beiden Eingangsklemmen (12A, 12B) miteinander verbunden sind, daß fernerhin in jeder Schaltungsstufe das andere Stromsteuerelement (I8-I bzw. I8-2 bzw. 18-3) und der Kondensator (15-1 bzw. 15-2 bzw.

^ 15-3) zu einer anderen Teilschaltung in Reihe zusammengeschaltet sind und daß weiterhin alle diese anderen Teilschaltungen in Parallelschaltung zu einer Entladeschaltung zwischen den beiden Ausgangsklemmen (14A, 14b) miteinander verbunden sind, und daß schließlich die in jeder Schaltungsstufe angeordneten beiden Stromsteuerelemente derart miteinander verbunden sind, daß das eine stets dann nichtleitend iet, wenn das andere leitend ist.

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2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Stromsteuerelement (16-1, 16-2, 16-3) in jeder Schaltungsstufe (1, 2, 3) eine Diode ist und daß das andere Stromsteuerelement (18-1, 18-2, 18-3) in jeder Schaltungsstufe ein Transistor ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (16-1, bzw. Ϊ6-2 bzw. 16-3) in jeder Stufe (1 bzw. 2 bzw. 3) zwischen die Basis und den Emitter des Transistors (18-1 bzw. 18-2 bzw. I8-3) der betreffenden Schaltungsstufe geschaltet ist und in leitendem Zustand an den ihr jeweils zugeordneten Transistor eine Vorspannung anlegt.
4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltungsstufe (1 bzw. 2 bzw. 3) einen weiteren Transistor (30-1 bzw. 30-2 bzw. 30-3) aufweist, welcher jeweils in den anderen Teilschaltungen mit dem Kondensator (15-I bzw. 15-2 bzw. 15-3) und dem erstgenannten Transistor (18-1 bzw. 18-2 bzw. 18-3) der betreffenden Schaltungsstufe in Reihe geschaltet ist.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Diode (16-1 bzw. 16-2 bzw. 1υ-3) einer jeden Schaltungsstufe (1 bzw. 2 bzw. 3) jeweils zwischen den Emitter und die Basis des. weiteren Transistors (30-1 bzw. 30-2 bzw. 3Ο-3)

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der jeweils nächstfolgenden Schaltungsstufe geschaltet ist.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe (1, 2, 3) einen noch weiteren Transistor (41-1, 41-2, 4l-3) aufweist, welcher jeweils mit dem

erstgenannten Transistor (18-1 bzw. 18-2 bzw. 18-3) zwecks Steuerung desselben verbunden ist.
7· Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß zur Lieferung der hohen Eingangsspannung eine Wechselspannungsquelle (12) vorgesehen ist und daß zwei der Schaltungen nach Anspruch 1 vorgesehen sind, welche jeweils eine Halbwelle der Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung umformen.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (16-1 bzw. 16-2 bzw. 16-3) und der Kondensator (15-1 bzw. 15-2 bzw. 15-3) in jeder Schaltungsstufe (1 bzw. 2 bzw. 3) jeweils zwischen zwei verschiedenen Anschlußklemmen (29A, 29B) in der einen Teilschaltung in Reihe geschaltet sind und daß ferner der Transistor (18-1 bzw. 18-2 bzw. 18-3) und der Kondensator in jeder Schaltungsstufe jeweils zwischen einer dritten und einer vierten Anschlußklemme (29C, 29D) in der anderen Teilschaltung in Reihe geschaltet sind.

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9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden verschiedenen Anschlußklemmen (29A, 29B) einer jeden Schaltungsstufe (1, 2, 3) jeweils nur die Diode (16-1 bzw. 16-2 bzw. 16-3) und der Kondensator (15-1 bzw. 15-2 bzw. 15-3) der betreffenden Stufe jeweils zu der einen Teilschaltung miteinander verbunden sind.
10. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (18-1 bzw. 18-2 bzw. 18-3) in jeder Schaltungsstufe (1 bzw. 2 bzw. 3) einen Steuereingang zur Steuerung des Stromflusses zwischen den beiden anderen Anschlußklemmen des Transistors aufweist und daß der Steuereingang innerhalb jeder Schaltungsstufe mit einer Seite der Diode (16-1 bzw. 16-2 bzw. 16-3) dieser Schaltungsstufe gekoppelt ist und daß die andere Seite der Diode mit einer der beiden anderen Anschlußklemmen des Transistors verbunden ist.
11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der einen der beiden anderen Anschlußklemmen des Transistors (18-1 bzw.18-2 bzw. 18-3) und der Diode (16-1 bzw. 16-2 bzw. 16-3) in jeder Schaltungsstufe durch eine Verbindungsleitung in der einen Reihenteilschaltung der Schaltungsstufe an einer Stelle zwischen der Diode und dem Kondensator (15-1 bzw. 15-2 bzw. 15-3) dieser Schaltungsstufe gebildet ist.
12. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsteuerelement des Transistors (18-1 bzw. 18-2

bzw. I8-3) in jeder Schaltungsstufe mit einer Seite der Diode (16-1 bzw. 16-2 bzw. 16-3) dieser betreffenden Schaltungsstufe über eine Schaltung verbunden ist,welche den weiteren Transistor (41-1 bzw. 41-2 bzw. 4l-3) aufweist, der mit einem Steuereingang zur Steuerung des Stromflusses zwischen den beiden anderen Stromanschlußklemmen des Transistors versehen ist.
13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden anderen Anschlußklemmen des weiteren Tran-

^ sistors (41-1 bzw. 41-2 bzw. 41-3) in jeder Schaltungsstufe

mit einer fünften Anschlußklemme (29E) jeweils der Schaltungsstufen verbunden ist und daß jeweils diese fünften Anschlußklemmen der Schaltungsstufen mit einer Spannungsregelungsleitung (13E) verbunden sind.
14. Schaltung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils andere Teilschaltung jeweils zwischen den dritten und vierten Anschlußklemmen (29C, 29D) jeder Schaltungsstufe jeweils einen nochmals weiteren Transistor (30-1

" bzw. 30-2 bzw. 3O-3) in Reihenschaltung zu dem Kondensator (15-1 bzw. 15-2 bzw. 15-3) und dem jeweils erstgenannten Transistor (I8-I bzw. 18-2 bzw. 18-3) aufweist.
15. Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der nochmals weitere Transistor (30-1 bzw. 30-2 bzw. 30-3) in jeder Schaltungsstufe einen Steuereingang aufweist, welcher mit einer Verbindungsleitung zwischen der Diode und dem Kon-

densator (15-1 bzw. 15-2 bzw. 15~3) in der jeweils nächstfolgenden Schaltungsstufe der einen Teilschaltung verbunden ist.
16. Schaltung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine erste Schaltungsstufe (1) sowie eine letzte Schaltungsstufe (3) und mindestens eine Schaltungsstufe (2) zwischen der ersten und letzten Schaltungsstufe und durch zusätzliche Dioden (4OA, 4OB, ¹JOC) in derjenigen Schaltverbindung der ersten Schaltungsstufe, welche die Diode (16-1) dieser Schaltungsstufe mit dem Transistor (18-1) dieser Schaltungsstufe verbindet.
17· Schaltung zur Verbindung einer Wechselspannungsquelle mit einer Belastung, welch letztere an einer Gleichspannung niedrigeren Wertes betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei im wesentlichen identische Schaltungen vorhanden sind, welche zwischen die Belastung (14) und die Wechselspannungsquelle (12) geschaltet sind und daß ferner jede dieser Schaltungen eine Vielzahl von Kondensatoren (15-1, 15-2, 15-3) aufweist, welche nacheinander durch die Wechselspannungsquelle aufgeladen und parallel über die Belastung und jeweils gesteuert durch elektronische Bauelemente innerhalb der Schaltung entladen werden, und daß schließlich in jeder dieser Schaltungen Einrichtungen vorgesehen sind, welche sicherstellen, daß die Kondensatoren in jeder dieser Schaltungen entweder betriebsmäßig mit der Belastung oder mit der Span-

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nungsquelle, jedoch nicht mit beiden gleichzeitig verbunden sind (Fig. 2 oder 3).
18. Schaltung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Einrichtungen (50, 52), welche mit den einzelnen Schaltungen gekoppelt sind und die an die Belastung (14) angelegte Ausgangsspannung regeln.
19. Schaltung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (15-1 bzw. 15-2 bzw. 15-3) in den Schaltungen jeweils in einer Zeitspanne, welche kürzer ist als die halbe Periode der Wechselspannungsquelle, während jeder Schwingung der Wechselspannungsquelle (12) aufgeladen und in einer Zeitspanne, welche länger ist als die halbe Periode der Wechselspannungsquelle, entladen werden.

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