DE2846491A1

DE2846491A1 - Einrichtung und verfahren zur erzeugung von elektrischen signalen

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Publication number: DE2846491A1
Application number: DE19782846491
Authority: DE
Inventors: Richard H Baker
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1977-10-31
Filing date: 1978-10-25
Publication date: 1979-05-03
Also published as: SE7811249L; FR2407601A1; US4135235A; GB2007045A; JPS5478433A

Description

-47."

PATENTANWÄLTE

DR. KARL TH. HEGEL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL

GROSSE BERGSTRASSE 223 2000 HAMBURG 50 JULIUS-KREIS-STRASSE 33 8000 MÜNCHEN 60

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Γ ~l

Telegramm-Adresse: Deollnerpatent München

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Ihr Zeichen: Unser Zeichen: 8000 München, den

H 2899

Εχχαπ Research And Engineering Company P. D. Box 55
Linden, IM. J.

Einrichtung und Uerfahren zur Erzeugung van elektrischen Signalen

909818/0878

Postscheckkonto: Hamburg 291220-205 · Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3813897

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Einrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit bestimmter Wellenform und im besonderen auf Gleichspannungs- oder UJechselspannungsuandler.

Es sind bereits eine Reihe von Schaltanordnungen zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung bekannt. Diese Schaltanordnungen sind sehr kompliziert und benötigen eine Uielzahl von Bauteilen, uas hohe Kasten und eine geringere Betriebssicherheit zur Folge hat. Weiter ist in vielen Fällen die Umwandlung in eine Wechselspannung auf eine ganz bestimmte, vorgegebene Frequenz beschränkt und diese Wechselspannung ist zudem nach aberuellenreich, was in vielen Anuendungsf allen unerwünscht ist.

² 90981870878

In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile zu beseitigen und eine Einrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, mit der eine drei-lagige Wellenform erzeugt werden kann und die eine künstliche Erzeugung einer bestimmten Wechselspannung
durchstufenuieise Annäherung ermöglicht·

Dazu werde gemäB der vorliegenden Erfindung innerhalb der
Periode der gewünschten Wellenform zu unterschiedlichen Zeiten jeweils einer von zwei Kondensatoren derart aufgeladen, daß eine Ladespannung von +2E bzw. - 2E daran abfällt. In
einem ersten Schaltzustand wird der erste Kondensator auf
eine Ladespannung mit dam Pegel +2E UoIt aufgeladen, wobei zugleich auf einen Ausgang der Schaltanordnung +E UoIt aufgeschaltet wird. In einem zweiten Schaltzustand kann sich der erste Kondensator wie im ersten Schaltzustand aufladen, der zweite Kondensator wird aber in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle, die -E UoIt liefert, geschaltet, so daß am Ausgang -3E Volt meßbar sind. In einem dritten Schaltzustand
wird der zweite Kondensator auf eine Ladespannung mit dem Pegel -2E l/alt aufgeladen, wobei zugleich dem Ausgang -E UoIt zugeführt werden. In einem vierten Schaltzustand wird der
zweite Kondensator wie im dritten Schaltzustand aufgeladen, wobei zugleich der vorher geladene erste Kondensator in Reihe zu einer Gleichspannungsquelle, die +E UoIt liefert,ge-

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schaltet uiird, so daß am Ausgang +3E UaIt meßbar sind. Der lüellenformgenerator uird dabei aufeinanderfolgend jeweils für eine bestimmte Zeit in einem der verschiedenen vier Schaltzustände betrieben, um die gewünschte Wellenform zu erzeugen. In einer ζωεϊΐεπ und dritten Ausführungsfarm der Erfindung merdenzmei ader mehr derartiger Generatoren zusammengeschaltet, um mehrphasig zusammenhängende Uellenfarmen zu erzeugen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen vergleichbare Bausteine mit demselben Bezugszeichen versehen sind.
Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Schaltanordnung eines Gleichspannungs-Uechselspannungsiijandlers entsprechend dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine typische zujeipegelige Wellenform einheitlicher Polarität, die am Punkt A der Schaltanordnung nach Fig. 1 entstehen könnte,

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Fig. 3 eine typische vierpegelige, Einschnitte aufweisende stufenweise Annäherung einer Wechselspannung bestimmter üJellenfarm, beispielsweise einer Sinusspannung,

Fig. U in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsfarm der Erfindung,

Fig. 5 eine typische drei-lagige Wellenform mit Einschnitten zur stufenuieisen Annäherung einer Wechselspannung, beispielsweise einer Sinuswelle,

Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild eines Hochleistung s-Schaltverstärkers,

Fig. 7 ein Blackschaltbild eines Steuergeräts zur Bereitstellung der Steuersignale für den Betrieb der verschiedenen transistorisierten Schalter,

Fig. θ in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsfarm der Erfindung,

Fig. 9 ein typisches Ausgangssignal der Schaltanordnung nach Fig. B,

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Fig. 1d in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsfarm der Erfindung,

Fig. 11 ein typisches Ausgangssignal der Schaltanordnung nach Fig. 1o und

Fig. 12 in schematischer Darstellung eine vierte Ausführungsfarm der Erfindung.

Der bekannte Gleichspannungs-kJechselspannungsuiandler nach Fig. beinhaltet eine Gleichspannungsquelle 1αα, beispielsweise eine Batterie, die eine Spannung in der Höhe von E UoIt liefert. Eine Pegelschiebsstufε besteht aus dem Schalterpaar S.., S„, einer Diode 1o2 und einem Kondensator 1o4. Ein nach Art einer Brückenscrialtung aufgebautes Überlagerungsnetzujerk besteht aus den steuerbaren Siliziumgleichrichtern 1o6, 1o8, 11a, 112 mit den entsprechenden Steuereingängen 114, 116, 118, 12a satuie aus vier Dioden 122, 124, 126, 128 und den beiden Ausgängen 13o und 132, an die ein Belastungsuiderstand 134 angeschlossen
werden kann. Wenn während des Betriebes der Schaltanordnung der Schalter S. derart betätigt ist, daß der Anschluß 3 mit dem unteren Hontakt 5 verbunden ist, beträgt der Spannungsuert am Punkt B etuia E Volt und der Kondensator 1o4 beginnt sich aufzuladen. Bleibt der Schalter S₁ in dieser unteren
Schaltposition für einen ausreichenden Zeitraum, lädt sich
der Kondensator 1o4 vollständig auf, so daß der Spannungsab-

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AS

fall am Kondensator 1o4 E UoIt beträgt. Wenn danach der Schalter S. derart umgestellt wird, daß der Anschluß 3 mit dem oberen Kontakt 1 verbunden ist, liegt der Kondensator 1o*i in Reihe zur Gleichspannungsquelle ader Batterie 1oo, wodurch der Spannungswert am Punkt B auf 2 E Volt ansteigt. Der Schalter S„ wird in seine obere Schaltstellung umgestellt, in der sj=in Anschluß 3 mit dem oberen Kontakt 1 verbunden ist, um die Spannung am Punkt B auf den Punkt A zu übertragen. In der unteren Schaltstellung des Schalters S„, in der der Anschluß 3 mit dem unteren Kontakt 5 verbunden ist, wird der Punkt A geerdet. Werden die Schalter S. und S„ in verschiedenen Kombinationen zu verschiedenen Zeiten einzeln von ihrer unteren in ihre obere Schaltstellung umgestellt, kann man am Punkt A beispielsweise die in Fig. 2 dargestellte zueipegelige, gerasterte Wellenform gleicher Polarität abgreifen. Den Steuereingängen 11it, 116 und 11B, 12a der steuerbaren Gleichrichter 1a6, 1o8, 11a und 112 werden Steuersignale zugeführt, um diese paarweise durchzuschalten ader auszuschalten. Dabei werden jeweils die steuerbaren Gleichrichter 1o6 und 112 bzw. 1oS und 11a zusammen angesteuert, so daß das Überlagerungsnetzwerk die zweipegelige Wellenfarm nach Fig. 2 beispielsweise in die vierpegelige Wellenfarm nach Fig. 3 umsetzt. Auf diese Weise kann eine stufenweise Annäherung einer Sinuswelle erzeugt werden. Ein Überlagerungsnetzwerk mit den gesteuerten Siliziumgleichrichtern hat den großen Nachteil, daß der notwendige Schaltkreis zum Abschalten der leitenden

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Gleichrichter 1α6-112, 1a8-11a sehr kompliziert ist. Es muß nämlich berücksichtigt uierden, daß ein solcher gesteuerter Siliziumgleichrichter eine Festkörperschalteinrichtung ist, die zwar über ein Steuersignal am Steuereingang durchgeschaltet werden kann, aber nur abgeschaltet werden kann, indem entweder der Stromfluß durch den Hauptstrompfad unterbrochen oder eine Sperrspannung zwischen Anode und Kathode angelegt wird.

Die Schaltanordnung einer ersten Ausführungsfarm der Erfindung nach Fig. 4 ist über den Anschluß 136 mit Bezugspotential, im vorliegenden Fall mit Masse verbunden. Eine erste Batterie oder Gleichspannungsquelle 138 liefert eine Gleichspannung von + E₁ UaIt, eine zweite Batterie oder Gleichspannungsquella 14a eine solche von + E₂ UoIt. Jeder der einpoligen tiJechselschalter S-, und 5, hat Eingänge 43 und 45 sowie einen Ausgang 41 · Die Dioden 142 und 144 sind derart gepalt, daß Strom zum Anschluß 15a durchgelassen wird. Wenn im Betrieb der Schalter S, eine erste Schaltstellung einnimmt, in der sein Pol 152 mit dem Eingang 45 verbunden ist, wird ein Strompfad vam Eingang 45 zum Ausgang 41 geschlossen. Bei dieser Schaltstellung des Schalters S, liegt der Kondensator 148 über den Schalter S, und die Diode 144 in Serie zu den Batterien 138 und 14o. Der positive Pal der Batterie 138 ist über den Schalter S., mit dem einen Belag des Kondensatars 148 verbunden und der negative Pol der Batterie 14a liegt über der nun in Durchfluß-

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richtung geschalteten Diode am anderen Belag des Kondensators 148. Dadurch fließt vom Masseanschluß 136 über die Batterie 138,den Schalter S,, den Kondensator 148, die Diode 144 und sine Batterie 14o ein Ladestram zurück zum Anschluß 13G, so daß der Kondensator 148 aufgeladen wird. Nimmt man an, daß der Schalter S_ diese erste Schaltstellung für eine ausreichende Zeit beibehält, kann sich der Kondensator 148 auf einen Fegel derart aufladen, daß die Ladespannung in der gezeigten Polarität die Summe der Batteriespannungen E. und Ep erreicht. Zugleich mit der Aufladung des Kondensators 148, also in der ersten Schaltstellung des Schalters S-, uird über die in Fiußrichtung vorgespannte Diode 144 an den Eingang 43 des Schalters S, eine Spannung von - E„ UoIt gelegt. Dabei liegt zugleich der Kondensator 146 über den Schalter S, parallel zur Diode 142. Diese Parallelschaltung liegt in Reihe zwischen dem Anschluß 136 und dem Eingang 45 des Schalters 3,. Geht man davon aus, daß der Kondensator 146 vorher auf eine Spannung entsprechend der Summe von E₁ und E„ aufgeladen uar - die Polarität ist in Fig· 4 angegeben -, ist die Diode 142 gesperrt, ueil die Spannung an ihrer Kathode um etua Ep UoIt höher ist als an der Anode. Damit ist der Kondensator 146 effektiv in Reihe zur Batterie 138 geschaltet, uiodurch dem Eingang 45 des Schalters S, eine Spannung zugeführt uird, deren Pegel der- Ladespannung des Kondensators 146 (E. + Ep) plus der Batteriespannung E., also dem Wert + (2 E^ + E₂) entspricht. Man beachte, daß diese dsm Eingang 45 des Schalters S^

+) mit der Batterie 138

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zugeführte Spannung exponentiell absinkt, wenn die Entladung des Kondensators 146 beginnt.

Der Schalter S₃ kann in eine zweite Schaltstellung umgestellt werden, in der sein Pol 152 auf dem unteren Kontakt ader Eingang 43 aufliegt, so daß ein Strompfad zwischen seinem Eingang 43 und seinem Ausgang 41 geschlossen wird. In dieser Zeit ist die Diode 142 in Durchflußrichtung vorgespannt, so daß dem Eingang 45 des Schalters S, eine Spannung von + E₁ Volt zugeführt wird und sich der Kondensator 146 über den Ladestromkreis über die Batterien 133, 14a, die Diode 142 und den Schalter S, aufladen kann. Geht man davon aus, daß der Schalter S₃ seine zweite Schaltstellung für eine ausreichende Zeitspanne beibehält, lädt sich der Kondensator 146 auf einen Pegel, derart auf, daß seine Ladespannung mit der gezeigten Polarität die Summe der Spannungen E.. und E„ erreicht. Zugleich ist der Kondensator über die Diode 144 parallel geschaltet. IMimmt man - wie vorher beschrieben - an, daß der Kondensator 148 vollständig aufgeladen war, ist die Diode 144 gesperrt, weil an ihrer Kathode - Ep UoIt und an ihrer Anode eine Spannung von -CE₁ + Ep) UoIt anliegen. In dieser zweiten Schaltstellung des Schalters S₃ liegt der Kondensator 148 in Serie mit der Batterie 14a zwischen den Anschlüssen 136 und 43, so daß dem Eingang 43 des Schalters S, eine Spannung mit einem Pegel von -(E₁ +2Ξρ) zugeführt wird. Uie bereits oben angegeben, nimmt diese Spannung am Eingang 43 des Schalters S^

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ab, sobald sich der Kondensator 14a entladen kann.

Der Schalter S, verbindet in seiner ersten Schaltstellung den Pol 154 mit seinem Eingang 45 und schließt damit einen Strampfad von seinem Eingang 45 zum Ausgang 41. Dadurch wird die Spannung vom Eingang 45 auf den Ausgang 41 übertragen. In einer zweiten Schaltstellung des Schalters S, ist der Pol 154 mit dem Eingang 43 verbunden und damit ein Strompfad von seinem Eingang 43 zu seinem Ausgang 41 geschlossen. Damit wird die Spannung vom Eingang 43 auf den Ausgang 41 übertragen.

Betriebt man die Schalter S, und S, über eine Periodendauer in verschiedenen Kombinationen ihrer ersten oder zweiten Schaltstellungen, kann zwischen dem Ausgang 15a und dem Bezugspunkt 13S eine gewünschte, zeitlich sich ändernde Wellenform erzeugt werden. Beim normalen Betrieb der Schaltanordnung nach Fig. 4 wird eine Einsatzzeit benötigt, um zunächst die Kondensatoren 146 und 143 wie beschrieben aufzuladen. Seht man davon aus, daß die Batterien 138 und 14o die gleiche Spannung liefern, als E₁ = Ep = E, kann man die in Fig. 5 dargestellte mit Einschnitten versehene drei-lagige Wellenform erzeugen, die stufenweise eine Sinuswelle 152 annähert. Durch die zu bestimmten Zeiten vorgesehenen Einschnitte in der künstlich erzeugten Wellenform wird deren Oberwellengehalt reduziert. Die erste Lage der gezeigten Wellenfarm in den Zeitbereichen T.., T, und

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Tr wird erzeugt, indem man die Schalter S, und S, wechselweise und aufeinanderfolgend zugleich in ihre erste bzw. zweite Schaltstellung stellt und dabei eine Spannung van +E l/alt hervorruft und dann in ihre erste bzw. zuieite Schaltstellung umstellt und dabei eine Spannung von -E UoIt erzeugt. Die zweite Lage der Wellenform im Zeitbereich T₂ erhält man, indem Schalter S, seine erste Schaltstellung beibehält, während Schalter S₃- wechselweise zwischen seiner ersten und seiner zweiten Schaltstellung umgestellt wird. In der ersten Schaltstellung des Schalters S^ wird eine Spannung von+3E \/olt und in der zweiten Schaltstellung eine Spannung van + E UaIt am Ausgang 15a erzeugt. Die dritte Lage der Wellenform im Zeitbereich T, erhält man, wenn Schalter S, in der zweiten Schaltstallung verbleibt, während Schalter S₃ abwechselnd zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung umgestellt wird. Dabei werden in der ersten Schaltstellung -E UoIt und in der zweiten Schaltstellung -3E UoIt zum Ausgang 15o geschaltet. Die Breite der Einschnitte wird durch die Zeitspanne bestimmt, in der der Schalter S, in der ersten oder zweiten Schaltstellung verbleibt und dem Wechsel zwischen diesen Schaltstellungen zur Erzeugung der gewünschten Wellenform. Ein wesentlicher Aspekt dieser Schaltanordnung ist darin zu sehen, daß eine Vielzahl anderer Wellenformen erzeugt werden kann, indem man lediglich die Schalter S, und S, während einer Periodendauer in verschiedenen Kombinationen ihrer ersten und zweiten Schaltstellungen betreibt.Außerdem können auch nicht symetrische Wellenformen erzeugt werden.

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In Fig. 6 ist ein Teil eines Hachleistungsschaltverstärkers gezeigt, der beispielsweise an die Stelle der-in Fig. k gezeigten Schalter S₃ und S,treten kann. Ldenn im Betrieb an den Steuereingang 33 ein Steuersignal mit positivem oder "hohem" Spannungspegel - im folgenden wird dieser Pegel mit "1" bezeichnet - angelegt uird, spricht die Pufferstufe 71 an und liefert über die Steuerleitung 65 Strom in die Basis des Transistars 37. Der NPIM-Darlingtonverstärker 37, 39 scheltet durch und verbindet über seinen Hauptstrompfad den Ausgang 41 mit dem Eingang 43. LJegen des "hohen" Spannungspegels am Steuereingang 33 zieht die Pufferstufe 71 Strom aus der Basis des Transistors 27, wodurch der Darlingtanverstärker gasperrt bleibt. üJenn das Steuersignal abfällt - im folgenden uiird dieser Pegel mit "0" bezeichnet - zieht die Pufferstufe 71 Strom aus der Basis des Transistors 37 und der Darlingtanverstärker 37, 39 sperrt deshalb. Zwischenzeitlich liefert die Pufferstufe 71 Strom in die Basis des Transistors 27, der Darlingtanverstärker 27, 29 schaltet durch, und über dessen Hauptstrompfad fiieBt Strom vom Eingang i+5 zum Ausgang 41. Dadurch wird der Spannungspegel am Ausgang 41 auf einen positiven Wert angehoben, wenn man voraussetzt, daS dein Eingang 45 eine positive Spannung zugeführt ist. Wenn das Steuersignal am Steuereingang 33 üJieder hochspringt, zieht die Pufferstufe 71 erneut Strom aus der Basis des Transistors 27 und schaltet den Darlingtanverstärker 27, 29 ab. Außerdem liefert die Pufferstufe Strom

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Ü5

in die Basis des Transistars 37 und schaltet damit den Darlingtonverstärker 37, 39 durch. Der Schaltkreis nach Fig. ermöglicht auf diese Art eine üJechselschaltung mit Unterbrechung, wobei ein Strompfad geöffnet wird bevor der andere schließt. Die Pufferstufe 71 kann in bekannter Ueise durch einen digitalen oder einen digital analogen Schaltkreis realisiert werden. Andere transistorisierte Schaltverstärker ader Schaltkreise mit einer Fig. 6 entsprechenden Funktion können anstelle der Schalter S₃ und S, ebenfalls eingesetzt werden.

Im folgenden wird davon ausgegangen, daß die Schaltvorgänge der Schalter S₃ und S, durch Schaltverstärker gem. Fig. S realisiert werden. Man benötigt dann zwei unabhängige Steuersignale C^ und Cn, die den entsprechenden Steuereingängen der jeweils zugeordneten Schalter S₃ und S, zugeführt werden müssen, damit diese Schalter derart betrieben werden, daß eine gewünschte Wellenform am Ausgang 15o entsteht. Dazu benötigt man ein Steuergerät 15G zur Bereitstellung der Steuersignale C₁ und C₂ wie es in Fig. 7 als Block gezeigt ist. Bei solchen Anwendungen, bei denen die Möglichkeit einer Programmierung nicht von Bedeutung ist, wenn also nur eine einzige LJellenform künstlich aus zwei Gleichspannungsquellen 13S und erzeugt werden soll, kann das Steuergerät 156 als konkret verschaltete Digitallogik aufgebaut sein. Wenn aber zu einer gegebenen Zeit eine von vielen vorgebbaren LJellenfarmen erzeugt

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ujerden soll, kann das Steuergerät 156 einen Mikroprozessor beinhalten, der zur Erzeugung der gewünschten Wellenform entsprechend programmiert ist. In der folgenden Zustandstabelle wird der Pegel des Ausgangssignals abgegriffen über den Anschlüssen 15o und 136 für verschiedene Kombinationen der Zustände "1" oder "D" der Steuersignale C. und C„ bezüglich der Ausführung nach Fig. k angegeben:
ZUSTAIMDSTABELLE ZU FIG. 4

Pegel der Ausgangsspannung über den Anschlüssen 15o, 136

Steuersignal	^C2
^C1	0
1	1
D	Q
0	1
1

^E2^: 2E,

Fig. 8 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die zujei im wesentlichen parallel an eine gemeinsame Gleichspannungsversargung 138, 14o angeschlossene Schaltkreise zur künstlichen Erzeugung van LJellenfarmen aufweist. Jeder dieser Schaltkreise entspricht genau dem von Fig. k, uiabei die Bezugszeichen in einem Schaltkreis mit einem Index versehen sind.

Es wird davon ausgegangen, daß das Steuergerät 156 nach Fig. 7 derart programmiert ist, daß es Steuersignale C- bis C, liefern kann, über die die zugeordneten Schalter S,, S^, S ', S^' ansteuerbar sind, um so zwei-phasige Ausgangsspannungen 0 A und 0 B an den Ausgängen 41» bzw. 41 zu erzeugen. Bei diesem

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Beispiel werden die Ausgangsspannungen den Anschlüssen 158, 16o eines Motors zugeführt, um die Zweiphasenwicklungen 162, 16** eines Zweiphasenwechselspannungsmotors zu erregen. In Fig. 9 sind typische zweiphasige Uellenformen oder Ausgangsspannungen 0 A und 0 B gezeigt, die in erwünschter Ideise um 9o^D phasenverschoben sind. In dem Beispiel sind stufenweise angenäherte Sinusuiellen 166, 163 für 0 A und 0 B dargestellt. Darüber sieht man gestrichelt reine Sinuswellen, die auf diese Weise erzeugt werden. Natürlich kann der Mikroprozessor derart programmiert werden, daß auch andere zweiphasig zusammenhängende Lüellenfarmen erzeugt werden können. Das Dreiphasensystem nach Fig. 1o beinhaltet drei derartige Schaltkreise, die parallel an eine gemeinsame Spannungsquelle 138, 1ifo angeschlossen sind. LJ ie bei dem Zweiphasensystem nach Fig. 8 entspricht jeder dieser Schaltkreise demjenigen nach Fig. k» Die Bezugszeichen ohne Index werden für den Schaltkreis benutzt, der die dritte Phasenspannung 0 C¹ liefert, die Bezugszeichen mit einem Index für die zweite Phasenspannung 0 B¹ und die Bezugszeichen mit doppeltem Index für die erste Phasenspannung 0 A¹. Die drei Spannungsphasen 0 A¹, 0 B¹, 0 C sind gegeneinander jeweils um 12a phasenverschoben, wenn man eine Phase mit der nächstfolgenden vergleicht, wie das in Fig. 11 dargestellt ist. Stufenweise angenäherte Sinuswellen sind als typisches Baispiel der dreiphasigen Uellenformen 178, 18a, 182 dargestellt, wobei die entsprechende reine Sinuswelle wieder darübergezeichnet ist. Diese Dreiphasen-

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spannungen 0 A¹, 0 B¹ und 0 C sind an den Ausgängen 41' ' , 41^l und 41 abgreifbar und können beispielsweise den Anschlüssen 166, 16Θ, 17a eines Motors zugeführt werden. Durch diese Spannungen 0 A¹, 0 B¹ und 0 C'werden die entsprechenden Motorwicklungen 172, 174 und 176 erregt. Anstelle der gezeigten Last in Form der Ldindungen 172, 174 und 176 eines DreiphasenmotDrs können auch andere dreiphasige Lasten mit diesem System gespeist werden. Auch in diesem Fall wird als Steuergerät 156 ein Mikroprozessor vorausgesetzt, der entsprechend programmiert ist und die Steuersignale C. bis Cg zum Betrieb der Schalter S₃, S,, S₃', S^', S₃*¹ und S^¹¹ liefert, so daß die dreiphasigen Ausgangsspannungen 0 A¹, 0 B¹, 0 C erzeugt werden. Es wird darauf hingewiesen, daß das Steuergerät für die Erzeugung verschiedenartigster dreiphasiger Wellenformen zusätzlich zu Sinuswellen vorprogrammiert sein kann.

Schaltet man "!\I"-Liandlerstufen gemäß Fig. 4 parallel an eine gemeinsame Gleichspannungsversorgung in einer Art nach Fig. 8 und wie in Fig. 1o angedeutet, kann man vielphasige Ldechselspannungsquellen mit bis zu "l\l"-Phasen erhalten, wobei "N" gleich der Anzahl der Phasen ist. Der Mikroprozessor muß denn erweitert werden und paarweise Steuersignale C,., ü„ bis C^ -, υ., liefern können. Ldie bereits erwähnt, sind in Zweiphasensystemen die Ausgangsspannungen um 9o° phasenverschoben. In Mehrphasensystemen mit drei ader mehr Phasen ist jede Spannung

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gegenüber der unmittelbar vorangehenden oder folgenden um 36o°/i\l phasenverschoben. Die Gleichspannungsquellen 13a, 1£)-o, die in der Fig. 4, 8 und 1o als Batterien bezeichnet sind, könnten auch aus Solarzellen, Solarzellenplatten oder Brennstoffzellen oder Kombinationen davon aufgebaut sein. Der Mikroprozessor bzw. das Steuergerät 156 kann auch so programmiert werden, daß bei den Ausführungen nach Fig. 4, 8 und 1o zu vorbestimmten Zeiten in jedem System bzw. jeder Periode Einschnitte erzeugt werden, um damit den Oberwellengehalt der künstlich erzeugten Wellenform zu reduzieren. Außerdem könnte die I\l-Ulandlerstufe sowohl gleichphasig im Parallelbetrieb - dadurch kann die Stromausbeute erhöht werden - als auch mit ungleichen PhasenzwischenrMumen betrieben werden, indem man den Mikroprozessor geeignet programmiert

In Fig. 12 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im wesentlichem dem nach Fig. 4 entspricht, mit der Ausnahme, daß die Kondensatoren 146 und von Fig. 4 durch Batterien oder Gleichspannungsquellen 184, 186 ersetzt wurden. Wie bereits erwähnt, können die Gleichspannungsquellen entweder einzeln oder beide durch Solarzellen, Solarzellenplatten, Brennstoffzellensysteme ader ähnliches realisiert werden. Die Batterien können Ladung aufnehmen, wie dies bezüglich der Kondensatoren 146 und 148 beim Betrieb der Ausführung nach Fig. 4 angegeben wurde. Es muß erwähnt werden, daß Solarzellen und Brennstoffzellen sich nicht in der Weise

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Steuersignal	α
1	1
G	G
G	1
1

2<r

aufladen wie die Kondensatoren, die sie ersetzen. Die Betriebsweise der Schaltanordnung nach Fig. 12 wird durch die folgende Zustandstabelle verdeutlicht, wobei vorausgesetzt wird, daß die Schaltsr S, und S, jeweils durch den Schaltkreis nach Fig. 6 realisiert sind.

ZUSTAiMDSTABELLE ZU FIG. 12

Pegel der Ausgangsspannung über den Anschlüssen 15o, 156

^E
+

Aus dieser Zustandstabelle geht hervor, daß wenn Έ.. und E„ jeweils gleich E UoIt sind und E, und E^ jeweils gleich 2E UoIt sind, eine Ausgangsspannung von +E, -E, +3E oder -3E UoIt erzeugt werden kann. In Fig. 12 sind die Dioden 142 und 144 gestrichelt gezeichnet, was andeuten soll, daß diese grundsätzlich nicht benötigt werden, wenn die Gleichspannungsquellen 184 und 186 entweder durch Batterien, Brennstoffzellen, Solarzellenplatten oder Solarzellen realisiert sind. In bestimmten Anwendungsfällen mit Batterien als Gleichspannungsquellen 134, 186 kann man die Dioden 142 und 144 belassen, damit die Batterien in analoger Art zur Aufladung der Kondensatoren 146 und 148 in Fig. 4 aufgeladen werden. Io diesem Fall müssen die Spannungspegel E, und E, im wesentlichen gleich groß sein wie die Summe der Soannungspegel E^ und E₂.

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Zusammenfassung :

Ein Wandler zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer bis zu drei-lagigen Wellenform hat einen ersten transistorisierten Schaltverstärker (S,), über den in einer ersten Schaltstellung ein erster Kondensator (146) auf eine Spannung νση +2E Malt aufgeladen uiird, ujobei zugleich eine Spannung von +E UoIt einem ersten Anschluß (15o) zugeführt wird. Außerdem wird eine Gleichspannungsquelle von -E UoIt mit dem positiven Belag eines zweiten Kondensators (148), der zuvdt auf eine Ladespannung von - 2E UoIt aufgeladen wurde, verbunden und es uiird eine Reihenschaltung zwischen einem Bezugspunkt (136) und einem zweiten Anschluß (43) hergestellt und auf diesen zweiten Anschluß eine Spannung von -3E Uült aufgeschaltet. Über den ersten Schaltverstärker (S,) wird in einer zweiten Schaltstellung der zweite Kondensator (148) auf eine Spannung von -2E UoIt aufgeladen und zugleich dem zweiten Anschluß (43) eine Spannung von -E UoIt zugeführt, wobei zugleich der negative Belag des ersten Kondensators (146), dessen positiver Belag

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mit dem ersten Anschluß (45) verbunden ist, an eine Spannung von +E UaIt zugeführt. Damit werden auf den ersten Anschluß (45) 3E UoIt aufgeschaltet. Ein zweiter transistorisierter Schaltverstärker (S, ) verbindet in einer ersten Schaltstellung den ersten Anschluß (45) und in einer zweiten Schaltstellung den zweiten Anschluß (43) mit einem Ausgang (41). Über ein Steuergerät (156) werden die beiden Schaltverstärker (S,, S,) während einer Zeitspanne in unterschiedlichen Kombinationen in die verschiedenen Schaltstellungen umgestellt, so daß am Ausgang (41) die gewünschte Wellenform erzeugt wird. Zwei oder mehrere derartige Wandler können zusammengeschaltet und von einem Steuergerät angesteuert werden, wenn man mehrphasige Spannungen erzeugen will.

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Claims

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Γ Π

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L J

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Patentansprüche :

( 1. !Generator zur Erzeugung von Ulechselspannungswellenfarmen ^v—' mit bis zu drei Lagen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Stufe erste und zweite Energiespeicher 1ifB), erste und zweite Gleichspannungsquellen (13B, die jeweils Anschlüsse mit positiver und negativer Spannung aufweisen und damit erste und zweite Gleichspannungen mit unterschiedlicher Polarität liefern, einen ersten Anschluß (136), dem Bezugspotential zugeführt wird und der an Anschlüsse unterschiedlicher Polarität der Gleichspannungsquellen -angeschlossen ist,

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ORIGINAL INSPECTED

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einen zweiten Anschluß (15α), ujDbei zwischen dem ersten Anschluß (136) und dem zweiten Anschluß (15a) ein Ausgangssignal erzeugt wird,

erste und zweite Gleichrichter (142, 144) und Schaltmittel (S-, S,) aufweist, die in einer von vier Schaltstellungen betrieben werden können, wobei in der ersten Schaltstellung die erste Gleichspannungsquelle (138) und der erste Gleichrichter (142) in Serie zwischen den ersten Anschluß (13S) und den zweiten Anschluß (15o) geschaltet werden, um die erste Gleichspannung auf diesen zweiten Anschluß (15a) durchzuschalten,und zugleich die beiden Gleichspannungsquellen (138, 14o), der erste Gleichrichter (142) und der erste Energiespeicher (146) in Reihe geschaltet werden, um diesen ersten Energiespeicher (146) auf einen Pegel derart aufzuladen, daß die Ladespannung im wesentlichen die Summe der Spannungen der beiden Gleichspannungsquellen (138, 14a) erreicht,

wabei in der zweiten Schaltstellung die zweite Gleich-.spannungsquelle (14a) und der zweite Gleichrichter (144) in Serie zwischen die beiden Anschlüsse (136, 15a) geschaltet werden, um die zweite Gleichspannung auf diesen zweiten Anschluß (15a) durchzuschalten, und zugleich dis beiden Gleichspannungsquellen (138, 14a), der zweite Gleichrichter (144) und der zweite Energiespeicher (148) in Reihe geschaltet werden, um diesen zweiten Energie-

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speicher (148) auf einen Pegel derart aufzuladen, da3 seine Ladespannung im wesentlichen die Summe der Spannungen der beiden Gleichspannungsquellen (138, 14a) erreicht ,

wobei in der dritten Schaltstellung der erste Energiespeicher (14S) wie in der ersten Schaltstellung aufgeladen ujird und zugleich der zweite Energiespeicher (148) parallel zum zuieiten Gleichrichter (144) und diese Parallelschaltung in Reihe mit der zweiten Gleichspannungsquelle (14d) zwischen den ersten Anschluß (136) und den zweiten Anschluß (15a) geschaltet ist, um auf diesen zweiten Anschluß (15a) eine Spannung mit einem Pegel durchzuschalten, der der Summe der Spannungen der zweiten Gleichspannungsquelle (14a) und der Ladespannung des zweiten Energiespeichers (148) entspricht, und wobei in der vierten Schaltstellung der zweite Energiespeicher (148) uie in der zweiten Schaltstellung aufgeladen wird und zugleich der erste Energiespeicher (146) parallel zum ersten Gleichrichter (142) und diese Parallelschaltung in Reihe mit der ersten Gleichspannungsquelle (138) zwischen den ersten Anschluß (136) und den zweiten Anschluß (15o) geschaltet wird, um auf diesen zweiten Anschluß (15a) eine Spannung mit einem Pegel durchzuschalten, der der Summe der Spannungen der ersten Gleichspannungsquelle (138) und der Ladespannung des ersten Energiespeichers (146) entspricht.

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2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeicher (146, 148) Kondensatoren beinhalten.
3. Generatür nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeicher (146, 148) Batterien beinhalten.
4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter (142, 144) Dioden beinhalten.
5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen ersten einpoligen Lüechselschalter (S₃) mit einem Ausgang (41) aufweisen, dessen erstem Eingang (45) die erste Gleichspannung und dessen zweitem Eingang (43) die zuieite Gleichspannung zugeführt wird, wobei

-■die beiden Gleichrichter (142, 144) mit entgegengesetzter Polarität jeweils mit einer Elektrode an die beiden Eingänge (45, 43) angeschlossen sind und wobei die beiden Energiespeicher (146, 148) in Reihe zwischen die anderen Elektroden der Gleichrichter (142, 144) geschaltet sind und wobei der gemeinsame Anschluß der beiden Energiespeicher (146, 148) an den Ausgang (41) angeschlossen ist, und

daß die Schaltmittel einen zweiten einpoligen üJechselschalter (S,) aufweisen, dessen Eingänge (45, 43) jeweils an die anderen Elektroden der beiden Gleichrichter (142, 144) angeschlossen sind und dessen Ausgang (41) mit dem

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zweiten Anschluß (15o) verbunden ist,

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i der erste Uechselschalter (S-) in der ersten und dritten Schaltstellung einen Strampfad zuiischen seinem Ausgang (41) und seinem zweiten Eingang (43) und in der ZLjeiten und vierten Schaltstellung einen Strampfad zwischen seinem Ausgang (41) und seinem ersten Eingang (45) schließt und wobei der zweite Uechselschalter (S,) in der ersten und dritten Schaltstellung einen Strompfad zwischen seinem Ausgang (41) und seinem ersten Eingang (45) und in der zweiten und vierten Schaltstellung zwischen seinem Ausgang (41) und seinem zweiten Eingang (43) schließt.
6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die neiden Ulechselschalter (S₃, S.) jeweils transistorisierte Schaltverstärker beinhalten, wobei jeder dieser Schaltverstärker zwei Eingänge (45, 43) und einen Ausgang (41) sowie einen Stauereingang (33) aufweist, dem erste und zweite Steuersignale (C₁, C₂) zugeführt werden, und daß ein Steuergerät (156) vorgesehen ist, das die Steuersignale (C^, C_g) liefert.
7. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere, der ersten Stufe entsprechende Γ\Ι Stufen vorgesehen sind, deren erste Anschlüsse (136) miteinander verbunden sind und die alle an die Gleichspannungsquellen

(136, 14o) angeschlossen sind, daß die Schaltmittel

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(S.,, S,¹ ...., S,, S,¹ ....) einer jeden Stufe innerhalb einer Zeitspanne in verschiedenen Kombinationen ihrer entsprechenden vier Schaltstellungen betrieben werden können, um an zugeordneten Ausgängen CfI, M¹ ....) LJechselspannungen mit einer Phasenverschiebung von 9G bei IM = 2
und 3Sa /(N + 1) für IM größer 1, wobei in einer Betriebsart die mehrphasige Wellenform erzeugt wird und in einer anderen Betriebsart alle Stufen zur Stramerhöhung parallel geschaltet sind.
8. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Steuergerät (156) ein Mikroprozessor ist, der zur Erzeugung der Steuersignale (C,., C„····) programmiert ist.
9. Schaltanordnung insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine stufenweise angenäherte Wechselspannung mit bis zu drei
Lagen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Stufe eine bis vier Gleichspannungsquellen (138, 1^0, 18l·, 18G), welche Spannungen mit den Pegeln E₁, E₂, E, und E, liefern, einen ersten Anschluß (136) der mit Bezugspotential und
' mit dem negativen bzui. dem positiven Pol der ersten (138) bzw. zweiten Gleichspannungsquelle (14a) verbunden ist,
einen zweiten Anschluß (151), an dem Wechselspannung ansteht, sowie

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Schaltmittel (S,, S.) aufuieist, die in eine van vier Schaltstellungen bringbar sind, wobei in der ersten Schaltstellung die zweite (14o) und die dritte Gleichspannungsquelle (184) in Reihe zwischen die Anschlüsse (136, 151) geschaltet sind und am zweiten Anschluß (151) eine Spannung von (+E-, - E₂) UaIt erzeugt wird, wobei in der zweiten Schaltstellung die erste (138) und vierte Gleichspannungsquelle (186) in Reihe zwischen die Anschlüsse (136, 151) geschaltet sind und am zweiten Anschluß (151) eine Spannung von (-E, + E₁) UoIt erzeugt: wird, wobei in der dritten Schaltstellung die erste (138) und die dritte Spannungsquelle (184) in Reihe zwischen die Anschlüsse (136, 151) geschaltet sind und eine Spannung von + (E. + E₃) erzeugt wird und wobei in der vierten Schaltstellung die zweite (14a) und vierte Gleichspannungsquelle (136) in Reihe zwischen die Anschlüsse (136, 151) geschaltet wsrden und eine Spannung van -(En + E,) am zweiten Anschluß (151) erzeugt wird.
10. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Gleichspannungsquellen (138, 14o,* 184, 186) jeweils eine Batterie beinhalten.
11. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Gleichspannungsquellen (138, 14o, 184, 186) jeweils eine Solarzellenplatte aufweisen.

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12. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzEichnet, daß die vier GleichspannungsquEllsn (138, 14a, 184, 186) jeweils ein BrennstofFzellensystEm beinhalten.
13. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Gleichspannungsquellen (138, 14n, 184, 186) irgendeine Kambination an Solarzellenplatten, Brennstoffzellen und Batterien beinhalten.
14. V/erfahren zur stufenuieisen Annäherung einer lilechselspannung mit bis zu drei Lagen, gekennzeichnet durch folgende V/erfahrensschritte:

(1> an die entgegengesetzten Enden eines ersten Kondensators werden Spannung en in Höhe von +E. und -E„ UaIt angelegt, um diesen Kondensator auf eine Ladespannung von + (E₁ + E„) UoIt aufzuladen, wobei zugleich +E₁ Volt einem ersten Anschluß zugeführt werden

(2) an die entgegengesetzten Enden eines zweiten Kondensators werden Spannung in der Hähe von -E„ UaIt und +E₁ UoIt angelegt, um diesen Kondensator auf eine Ladespannung von -(E₁ + Ep) UoIt aufzuladen, wobei zugleich -E₁ UaIt einem zweiten Anschluß zugeführt werden,

(3) zugleich mit Uerfahrensschritt (1) werden -E₂ UoIt

an das positiv geladene Ende des zweiten Kondensators

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angelegt, dessen anderes Ende mit dem zuleiten Anschluß verbunden ist, um diesem -(E₁ + 2E„) UaIt zuzuführen, zugleich mit Uerfahrensschritt (2) uierden an das negativ geladene Ende des ersten Kondensators + E,. UoIt angelegt, dessen anderes Ende mit dem ersten Anschluß verbunden ist, um diesem + (2E- + Ep) UoIt zuzuführen,

(5) die vorgenannten vier Uerfahrensschritte werden fortlaufend, in bestimmter aber nicht notwendigerweise in der aufgezählten Reihenfolge wiederholt, um gewünschte Spannungspegal an den ersten und zweiten Anschlüssen zu erstbestimmten Zeiten innerhalb einer der Periodendauer der Wechselspannung entsprechenden Zeitspanne zu erzeugen,

(6) zugleich mit Uerfahrensschritt (5) wird einer der beiden Anschlüsse zu zweitbestimmten Zeiten innerhalb der Periadendauer der Wellenform mit einem Ausgang verbunden und damit die Wellenform an den Ausgang durchgeschaltet·
15. Uerfahren zur stufenweisen Annäherung einer Wechselspannung mit bis zu drei Lagen und mit vier unterschiedlichen Spannungspegeln am Ausgang mittels eines Wandlers mit zwei Kondensatoren und zwei Spannungsquellen, die eine erste und eine zweite Spannung mit unterschiedlicher Polarität liefern, gekennzeichnet durch folgende Uerfahrensschritte:

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(1) der erste Kondensator (14S) wird auf eine dritte Spannung aufgeladen, die etua der Summe der beiden ersten Gleichspannungen entspricht, und zugleich die erste Spannung auf den Ausgang (15a) geschaltet,

(2) der zweite Kondensator (148) wird auf eine vierte Spannung aufgeladen, deren Polarität derjenigen der dritten Spannung entgegengesetzt ist und ebenfalls etua der Summe der beiden ersten Gleichspannungen entspricht, und zugleich die zweite Spannung auf den Ausgang (15o) geschaltet,

(3) der erste Kondensator (146) uiird in Reihe zur ersten Gleichspannungaquelle geschaltet und damit dem Ausgang (15o) eine Spannung zugeführt", die dieselbe Polarität hat wie die erste Gleichspannung und deren Höhe der Summe der ersten und dritten Spannung entspricht, wobei zugleich der zuieite Kondensator (14S) wie im zweiten \/erfahrensschritt aufgeladen wird,

(4) der zweite Kondensator (148) wird in Reihe zur zweiten Gleichspannungsquelle geschaltet und damit dem Ausgang (15a) eine Spannung zugeführt, die dieselbe Polarität hat wie die zweite Gleichspannung und deren Höhe der Summe der zweiten und vierten Spannung entspricht, wobei zugleich der erste Kondensator (146) wie im ersten Uerfahrensschritt geladen wird,

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(5) die zuvor genannten Uerfahrensschritte werden fortlaufend in bestimmter Reihenfolge uiederholt, so daß am Ausgang (15a) ein Signal mit gewünschter Wellenform ansteht.
16. Verfahren nach Anspruch 1*t oder 15, dadurch gekennzeichnet, daB heim fünften Verfahrensschritt zu vorbestimmten Zeiten aufeinanderfolgend und sich wiederholend zugleich zwei der vier Uerfahrensschritte durchgeführt werden, um eine Wellenform mit Einschnitten zu erzeugen, wodurch der Dberuellengehalt der Wellenform reduziert wird.

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