DE2439912A1

DE2439912A1 - Leistungswandler

Info

Publication number: DE2439912A1
Application number: DE2439912A
Authority: DE
Inventors: Maurice Sauvanet
Original assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Current assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Priority date: 1973-09-26
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1975-04-03
Also published as: US3982175A; GB1485786A; IT1020192B; BE818689A; FR2245119B1; FR2245119A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungswandler, bei dem zur Leistungswandlung vollständige Halbwellen unterdrückt werden.

Es ist bekannt, die in eine-Belastung von einem Wechselstromnetz her eingespeiste mittlere Leistung dadurch zu verändern, daß die Belastungsschaltung periodisch unterbrochen wird. Hierzu wird ausgehend von einer gleichgerichteten Wechselspannung eine Kapazität über einen variablen Widerstand progressiv aufgeladen. Die Spannung an den Anschlüssen der Kapazität steigt dabei bei Jeder Halbwelle der Speisespannung an. Wenn Sie einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, wird die Ladung der Kapazität an den Steueranschluß eines Unterbrechers abgegeben, der unmittelbar die Belastungsschaltung schließt oder das Schließen eines Hauptunter-

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brechers veranlaßt. Um bei einer solchen bekannten Vorrichtung zu erreichen, daß eine Halbwelle vollstündig passiert und daß die durch das plötzliche Schließen des Unterbrechers hervorgerufene! Störungen verringert werden, muß die bekannte Vorrichtung eine Steuervorrichtung zum Steuern beim Nulldurchgang der Spannung aufweisen, welche ein Leiten nur in solchen Augenblicken zuläßt, wenn die Netzspannung (oder besser die Spannung an den Anschlüssen) einen sehr kleinen Betrag hat. Solche "Verbietschaltungen" oder Schaltungen zur Triggerung beim Nulldurchgang sind allgemein relativ komplex.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Leistungswandler der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß eine Steuerung bzw. Unterbrechung selbsttätig im Bereich des Nulldurchgangs der Spannung stattfindet, ohne daß eine aufwendige "Verbietungsschaltung" vorgesehen zu werden braucht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Leistungswandler eine Halbleitervorrichtung aufweist, die durch Abziehen des Stromes über ihre Steuerelektrode triggerbar ist, d.h. leitend gemacht wird, und daß die Halbleitervorrichtung mit den Anschlüssen einer Speisung für gleichgerichtete Wechselspannung verbunden ist, wobei die Steuerelektrode einen Bruchteil der gleichgerichteten Wechselspannung über eine Kapazität und eine Schwellwertvorrichtung erhalten kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine erste Ausführung eir.es Leistungswandlers gemäß der Erfindung; Fig. 2 Diagramme für die Spannung in Funktion der Zeit zur Erläuterung der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine andere Ausführung der Erfindung;

Fig. 4 eine Vorrichtung zur Leistungswandlung bei zwei Spannungen mit einem Leistungswandler gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine abgewandelte Vorrichtung für zwei Spannungen mit einem Leistungswandler gemäß der Erfindung.

Ein Leistungswandler gemäß Fig. 1 umfaßt eine Halbleitervorrichtung 10, die durch Abziehen von Strom über die Steuerelektrode triggerbar ist, Z₀B. einen Thyristor mit Ubergangsgitter, dessen Hauptelektroden an die Anschlüsse B und A angeschlossen sind, an welche eine gleichgerichtete Wechselspannung V„ angelegt ist. Parallel zu den Hauptelektroden des Thyristors 10 ist ein Phasenschieber 2 angeordnet, dessen phasenverschobener Ausgang mit der Spannung V an den Anschluß A überfeine Kapazität 11 und einen Widerstand 12 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt zwischen dieser Kapazität und dem Widerstand 12 ist mit dem Gitter des Thyristors 10 über eine Schwel Iwertvorrichtung 3 angeschlossen.

Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf der Spannungen in Funktion der Zeit an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 1. Fig. 2 α zeigt die gleichgerichtete Wechselspannung V_R zwischen den Anschlüssen B und A. Fig. 2b zeigt die Spannung V

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am Ausgang des Phasenschiebers.2. Fig. 2c zeigt die Spannung V- an den Anschlüssen des Widerstandes 12. Alle diese Spannungen sind auf den Punkt A der Schaltung bezogen. Die Spannung V« hat einen in Abhängigkeit von der Aufladung der Kapazität 11 über den Widerstand 12 abnehmenden Mittelwert (dieser Mittelwert geht gegen Null, wenn die Kapazität 11 vollständig aufgeladen ist). Die untersten Punkte der Spannung V , welche dem Nulldurchgang der Spannung V_D entsprechen, werden deshalb mehr und mehr

negativ, bis einer dieser negativen Punkte die SchwelIwertspannung V der Schwellwertvorrichtung 3 erreicht. Wenn V_ den negativen Wert V erreicht, wird der Thyristor 10 mit Übergangsgitter durch Entladen der Kapazität 11 über die Schwellwertvorrichtung 3 leitend gemacht. Dieses Leiten senkt die Spannung zwischen den Anschlüssen B und A und entlädt die Kapazität 11, was ermöglicht, einen neuen Zyklus zu beginnen.

Das Leiten des Thyristors 10 findet fUr die Dauer einer Halbwelle statt, und zwar jedesmal unter der Bedingung, daß die Leitung aufrechterhalten wird, bis der Belastungsstrom

it

einen ausreichenden Wert erreicht hat.^Mitnahmestrom = courant d'accrochage). Es dient zum Sichersteilen dieser Leitung, daß der Phasenschieber 2 vorgesehen ist. Die Spannung V] ist bezüglich der Spannung V_R um eine Verzögerungszeit t. phasenverschoben, damit die negativen Punkte der Spannung V» etwas nach dem Nulldurchgang der gleichgerichteten Spannung V_ zu liegen kommen.

Anhand der Fig. 1 soll nun noch detaillierter eine Schaltung nach der Erfindung beschrieben werden, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Der Phasenschieber

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kann einen Widerstand 13 und eine damit in Reihe geschaltete Parallelschaltung eines Widerstandes 14 und einer Kapazität 15 umfassen, wobei der Ausgang des Phasenschiebers am Verbindungspunkt des Widerstandes 13 mit dem Widerstand 14 und der Kapazität 15 liegt. Die Schwellwertvorrichtung 3 kann allein von einer Diode 16 und einem Widerstand 17 gebildet sein, der zwischen dem Gitter des Thyristors 10 und dem Anschluß A liegt. Die Schwellwertvorrichtung kann jedoch auch noch eine Zenerdiode 18 umfassen. Dem Fachmann ist klar, daß andere Ausführungen für den Phasenschieber und die SchwelIwertvorrichtung vorgesehen sein können,wobei die letztere z.B. ein Trigger oder ein Diac sein kann.Außerdem kann die Halbleitervorrichtung von einem Triac gebildet sein, der dann als in einer Richtung wirkender Unterbrecher eingesetzt wird.

Bis hierher ist ein Leistungswandler beschrieben worden, der durch Unterdrücken von Halbwellen arbeitet und an eine Speisung für gleichgerichtete Spannung V_R angeschlossen ist. In der Praxis werden solche Leistungswandler im allgemeinen in Verbindung mit einer Wechselspannungsquelle verwendet. Hierzu sind die Anschlüsse A und B an eine Diagonale einer Gleichrichterbrücke ό angeschlossen, deren andere Diagonale mit den Steueranschlüssen eines gesteuerten, in zwei Richtungen wirkenden Unterbrechers 5, wie eines Triacs, verbunden ist, dessen Hauptanschluß in Reihe mit einer Belastung 4 an einer Versorgung für Wechselspannung V angeschlossen sind.' In diesem Fall wird das Leiten des in zwei Richtungen wirkenden Hauptunterbrechers 5 durch das Leiten der Gleichrichterbrücke ό mit doppelter Altemierung ausgelöst, d.h. durch das Leiten einer Halbleitervorrichtung 10, wie sie oben beschrieben ist.

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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung, bei der der Phasenschieber und die Schaltung mit der Kapazität 11 und dem Widerstand 12 nicht zwei klar getrennte Schaltungen bilden. Die Bauteilen, 12,13 und 14 in Fig. 3 sind gleichartig wie die entsprechend bezeichneten Bauteile in Fig. 1; doch ist die Kapazität 15 gemäß Fig. 1 bei der Ausführung nach Fig. 3 weggelassen und durch eine Kapazität 25 ersetzt, die parallel mit dem Widerstand 12 geschaltet ist. Bei dieser Variante wird die Verzögerungszeit t. durch die Kombination der in Reihe geschalteten Kapazitäten 11 und 25 erzeugt. Die Spannung V₁ an den Anschlüssen des Widerstandes 12 ist im Verhältnis der Größe der Kapazität 25 zur Summe der Größen der Kapazitäten 11 und 25 geteilteFolglich brauchen die SchwelIWertvorrichtung 3 und der Kondensator 25nur eine geringere Spitzenspannung ertragen als die Schwellwertvorrichtung 3 und die Kapazität 15 bei der Ausführung nach Fig. 1.

Es können zahlreiche andere Varianten der Vorrichtung 1 gemäß den Figuren 1 und 3 realisiert werden. Insbesondere kann die Halbleitervorrichtung 10 durch eine ergänzende Schaltung gesperrt oder leitend gemacht werden, der Widerstand 12 kann durch einen Stromerzeuger ersetzt werden, der durch eine Regelspannung betätigt werden kann und die Halbleitervorrichtung 10 kann statt von einem Thyristor mit einem Übergangsgitter von einem anderen Element, z.B. von einem Triac gebildet sein. Die beschriebene Schaltung ermöglicht es, die Belastung an die Speisespannung während einer Halbwelle alle n-Halbwellen anzuschließen. Die Anzahl η - 1 der unterdrückten Halbwellen wird durch die Zeitdauer T bestimmt, die notwendig ist, damit ein Punkt der Spannung V« auf den negativen Wert V abfällt. Diese Zeitdauer T hängt von

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Größe der an die Kapazität 11 angelegten Spannung, von der Zeitkonstanten dieser Kapazität Π und von der Größe der SchwelIwertspannung V ab. Die Anzahl η - 1 der unterdrückten Halbweilen und folglich die Verringerung der mittleren,an die Last angelegten Leistung kann durch Einwirken auf einen dieser drei Parameter verändert werden. Z.B. kann die Leistung durch Variation des Schwellwertes V, des Spannungsteilungsverhältnisses des durch die Widerstände 13 und 14 gebildeten Spannungsteilers oder der Größe des Widerstandes 12 verändert werden. Auch kann der Widerstand 12 durch einen regelbaren Stromerzeuger ersetzt werden oder in Reihe mit einer variablen Spannungsquelle geschaltet werden.

Eine wichtige Anwendung eines beschriebenen Leistungswandlers, bei dem die Leistungswandlung durch Unterdrücken von Halbwellen geschieht, ist die Versorgung einer vorbestimmten Belastung, welchemit einer Spannung V. .arbeitet, mit einer Spannung V , z.B. 220 Volt, wobei V größer als V. _f ist. Bei .einem Verhältnis der entsprechenden

Leistungen von 3:1 bei diesen Spannungswerten, d.h. von ν /Vf ,, müssen die oben

sup inf

genannten Parameter so eingestellt werden, daß.jeweils zwei von drei Halbwellen unterdrückt werden. Ausgehend von dieser Einstellung wird die an die Belastung 4 abgegebene Leistung bezüglich der Nennleistung verringert, wenn der Widerstand 12 vergrößert wird. Durch Versorgen einer für 127 Volt vorgesehenen Belastung mit einer Spannung von220 Volt kann man also die Leistung progressiv bezüglich des Nennwertes in folgendem Verhältnis verändern:! (eine von drei Halbwellen passiert), 3/4 (eine

von vier Halbwellen passiert), *.... bis

3/n (eine von h Halbwellen passiert), indem in Reihe mit dem Widerstand 12 ein Widerstand oder eine variable Spannung geschaltet wird.

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Es ist oben ein Leistungswandler beschrieben, der die Verbindung eines Netzes mit einer Speisespannung V mit einer Belastung 7 ermöglicht, die bei einer kleineren Versorgungsspannung V. _f arbeitet, d.h. z.B. eine Verbindung zwischen einem Netz von 220 oder 380 Volt mit einer Belastung, die bei einer Spannung von 127 oder 220 Volt arbeitet. In der Praxis kann es zweckmäßig sein, mit einer Belastung, welche bei einer Spannung V. _f arbeiten soll, eine Schaltung ständig zu verbinden, derart, daß die gesamte Leistung übertragen wird, wenn die Belastung mit einer Netzversorgung der Spannung V. _f verbunden ist und daß nur ein Teil dieser Leistung im Verhältnis VT Jv zur Belastung dann übertragen wird, wenn die Belastung mit einem Netz der Spannung V verbunden ist. Ein solcher selbsttätiger Zweispannungs-Leistungswandler , der nur arbeitet, wenn das Netz eine Spannung V hat, kann mittels einer Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung verwirklicht werden, bei der ein ständiges Leiten mittels einer Halbleitervorrichtung hervorgerufen wird, wenn die Netzspannung niedriger als ein vorbestimmter Spannungswert V, ist , der zwischen V und V. _r liegt. Hierzu sieht die Erfindung vor, das d sup inf σ /

Potential der Kathode der Halbleitervorrichtung 10 anzuheben oder eine negative Spannung an das Gitter der Halbleitervorrichtung 10 anzulegen, wenn die Speisespannung V

niedriger als der Wert V, ist.

Anhand der FIg. 4 soll nun eine Ausführung beschrieben werden, bei der die Kathodenspannung des Thyristors 10 angehoben wird, wenn die Spannung V niedriger als ein vorbestimmter Wert V, wird, der zwischen V und V. - liegt. In Fig. 4 sind mit dUnnen Linien die bereits beschriebenen Teile der Schaltung und mit dicken Linien

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die neuen Bauteile beschrieben. Die Kathode der Halbleitervorrichtung 10 ist an den Anschluß A über die KoIlektor-iimurer-Verbindung eines Transistors 41 angeschlossen. Der Kollektor dieses Transistors 41 iit mit dem Anschluß A über einen Widerstand 42 und eine Kapazität- 43 verbunden, während seine Basis mit dem Anschluß A über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 44 und einer Kapazität 45 verbunden ist. Die Basis des Transistors 41 ist ferner mi₍t dem Referenzanschluß der Spannung V über eine Zenerdiode 4<6, eine Diode 47 und einen Widerstand 48 verbunden. Der Verbindungspunkt der Zenerdiode 46 und der Diode 47 ist mit dem Verbindungspunkt des Widerstandes 42 und der Kapazität 43 über einen Widerstand 49 verbunden. Somit wird der Transistor 41 durch die Zenerdiode 46 leitend gemacht, wenn die Spannung V größer als V, ist. Wenn V kleiner als V. wird, ist der

α da d

Transistor 41 gesperrt. Die durch die Diode 47 und die Kapazität 43 in Mono-Halbwellen gleichgerichtete Spannung ruft über die Widerstände 48 eine permanente Stromzirkulation (die sich über die Diode 40 schließt) über das Gitter der Halbleitervorrichtung 10 hervor, was die Halbleitervorrichtung 10 ständig leitend macht. Der Widerstand 42 und die Kapazität 43 hindern die transi torische Leitung der Halbeitervorrichtung 10 während einiger Halbwellen zur Zeit der Verbindung mit einer Schaltung der

Spannung V
^r sup

Anhand der Fig. 5 soll nun eine besondere Ausführung einer Schaltung beschrieben werden, bei der eine negative Spannung an das Gitter der Halbleitervorrichtung 10 · angelegt wird, wenn die Speisespannung V niedriger als ein vorgegebener Wert V, ist. Wie bei Fig. 4 sind in Fig. 5 die bereits anhand der Figuren 1 bis 3 be-

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schnebenen Teile der Schaltung in dünnen Linien gezeichnet, während die neuen Schaltungsteile mit dicken Linien dargestellt sind. Die Schaltung zum Anlegen der Spannung an das Gitter der Halbleitervorrichtung 10 umfaßt einen Widerstand 51, eine Diode 52, eine Zenerdiode 53, und einen Widerstand 54, die in Reihe geschaltet

und zwischen dem Gitter oer Halbleitervorrichtung und dem Referenzanschluß der Spansow ie
nung V angeordnet sind,/eine Kapazität 55, die zwischen dem Verbindungspunkt der Diode 52 und der Zeneiciode 53 und dem Anschluß A angeordnet ist. Beim Unterspannungsetzen ist die Halbleitervorrichtung 10 nicht leitend, und es gibt keinen Weg für einen bedeutenden Strom zur Kapazität 55, die folglich nicht aufgeladen wird. Nach der Dauer von zwei Halbwellen (im Fall einer Leistungswandlung 220 Volt/127 Volt) der Spannung V wird die Halbleitervorrichtung 10 leitend gemacht, wie anhand der Fig. 1 beschrieben. Da die Leitung der Halbleitervorrichtung 10 für eine negative Halbwelle eintritt (der obere Anschluß des Unterbrechers 5, der die Anode A im Fall eines Triacs isf, sei als Referenz genommen), erlaubt sie das Fließen eines Stromes über den Widerstand 54 und die Zenerdiode 53, der die Kapazität 55 negativ auflädt, wobei der Verbindungspunkt C der Bauteile 52, 53 und 55 bezüglich dem Punkt A negativ wird. Wenn die Spannung V niedriger als V₁ (z.B. 127 Volt) wird, setzt sich diese

a a

Aufladung fort, und die mittlere Spannung an der Kapazität 55 erreicht eine ausreichende Größe, um einen Stromfluß vom Gitter über den -Widerstand 51 und die Diode 52 aufrechtzuerhalten und ständiges Leiten der Halbleitervorrichtung 10 zu gewährleisten. Wenn jedoch die Speisespannung V größer als V, (z.B. 220 Volt) wird, wirkt die Diode 53 als Zenerdiode während der positiven Halbwellen, was die Kapazität 55 entlädt und eine schwache Spannung an ihren Anschlüssen aufrechterhält. Das Leiten der Halbleitervorrichtung 10 ist in diesem zweiten Fall folglich nicht durch die Schal-

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tung beeinflußt, die aus den Bauteilen 51 bis 55 zusammengesetzt' ist, und läßt eine Halbwelle von dreien durch (stets für den Fall einer Leistungswpndlung von 220 Volt/ 127 Volt).

Im folgenden seien wesentliche Merkmale der beschriebenen Schaltung gemäß der Erfindung zusammengefaßt.

Eine Belastung 4 Ist in Reihe mit einem in beiden Richtungen wirkenden Unterbrecher 5 an die Anschlüsse einer Speisespannung V angeschlossen, wobei der in beiden Richtungen wirkende Unterbrecher 5 über eine Steuerelektrode und eine Hauptelektrode an die Diagonale einer Gleichrichterbrücke 6 angeschlossen ist und der Unterbrecher 5 nur bei Leiten der Gleichrichterbrücke 6 getriggert wird. Die Erfindung sieht vor, die andere Diagonale der Gleichrichterbrücke ό mit den Hauptelektroden eines Thyristors mit Ubergangsgitter 10 zu verbinden, wobei die gleichgerichtete Spannung zwischen den Anschlüssen B und A progressiv eine Kapazität 11 über einen Phasenschieber 2 auflädt. Wenn die Spannung V₉ an den Anschlüssen eines Widerstandes 12 größer als der Schwellwert einer Schwellwertvorrichtung 3 ist, wird der Thyristor 10 zu Beginn einer Halbwelle für die gesamte Dauer dieser Halbwelle leitend gemacht.

Die Erfindung wird mit Vorteil insbesondere bei Leistungsvariatoren angewendet.

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Claims

Patentansprüche

( 1. Leistungswandler, bei dem zur Leistungswandlung vollständige Halbwellen unterdrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Halbleitervorrichtung (10) aufweist, die durch Abziehen von Strom Über ihre Steuerelektrode triggerbar ist und mit den Anschlüssen einer Speisespannungsquelle mit gleichgerichteter Spannung verbunden ist, wobei die Steuerelektrode der Halbleitervorrichtung Über eine Schwellwertvorrichtung (3) mit dem Verbindungspunkt einer Kapazität (11) und eines Widerstandes (12) verbunden ist, dessen anderes Ende mit der Kathode der Halbleitervorrichtung (10) verbunden ist, während das andere Ende der Kapazität (11) mit der Speisung für die gleichgerichtete Spannung verbunden ist.
2. Leistungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der Kapazität (11) mit der Speisung über einen Phasenschieber (2) verbunden ist.

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3. Leistungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung ein Thyristor (10) mit Übergangsgitter ist.
4. Leistungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung ein Triac ist.
5. Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis A₁ dadurch gekennzeichnet, daß er in die Diagonale einer Gleichrichterbrücke (ό) eingeschaltet ist, deren andere Diagonale zwischen die Steuerelektrode und die Hauptelektrode eines in beiden Richtungen wirkenden Unterbrechers, wie eines Tr?acs(5), eingeschaltet ist, dessen Hauptelektroden an eine Verbraucherschaltung angeschlossen sind.
6. Vorrichtung zur Leistungswandlung zum Gewährleisten der Funktion eines Gerätes bei zwei vorbestimmten Spannungen mit einem Leistungswandler nach einem der An sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Schaltung, welche das Potential der Kathode der Halbleitervorrichtung anhebt, wenn die Spannung die kleinere der beiden vorbestimmten Spannungen ist, derart, daß die Halbleitervorrichtung ständig leitet, wenn die Speisespannung den kleineren Wert annimmt, und die gesamte verfügbare Leistung zur Verbraucherschaltung übertragen wird.
7. Vorrichtung zur Leistungswandlung zum Gewährleisten der Funktion eines Gerätes bei zwei vorbestimmten Spannungen mit einem Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Schaltung, die ständig einen

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Strom von dem Gitter der Halbleitervorrichtung abzieht, wenn die Spannung die kleinere der' beiden vorgegebenen Spannungen ist, so daß die Hai blei tervorrichtung ständig leitet, wenn die Speisespannung den kleineren Wert annimmt.
8. Leistungsvariator für eine Belastung, die von einem Wechselspannungsnetz höherer Spannung als die Nennspannung der ßelastung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Netz und die ßelastung ein Leistungswandler nach Anspruch 5 geschaltet ist, der mit regulierbaren Einstellelementen versehen ist.
9. Leistungsvariator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellelemente von Hand regulierbar sind.
10. Leistungsvariator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellelemente durch ein elektrisches Steuersignal, wie eine Spannung oder-einen Strom, regulierbar sind.
11. Leistungsvariator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellelemente durch ein optisches oder thermisches Steuersignal regulierbar sind..

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