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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf planare Transformatoren mit
einem Magnetkern und Wicklungen, die durch Öffnungen in dem Kern
hindurch angeordnet sind, und geht aus von der US-A-4 206 434.
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Ein klassischer Transformator besitzt einen Magnetkern, der eine
beliebige von einer großen Vielzahl von Formen aufweisen kann und um den
herum zwei oder mehr Spulen gewickelt werden. Eine der Spulen dient
als Eingangsspule und ist als Primärwicklung definiert. Die andere Spule
dient als Ausgangswicklung und ist als Sekundärwicklung definiert. Je
nach gewünschter Anwendung ist in der Praxis eine jegliche
Kombination einer Mehrzahl von Eingangs- und Ausgangswicklungen möglich.
Da die Wicklungen um denselben Magnetkern gewickelt sind, und zwar
unabhängig von dessen Form, sind die wirksamen Querschnittsflächen
der Wicklungen in etwa gleich. Die durch Primärwicklung und die
Sekundärwicklung erzielte Spannungswandlung ist somit von dem
Verhältnis ihrer Windungen abhängig.
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Bei mit hoher Frequenz erfolgenden Leistungsanwendungen von
Transformatoren treten eine Anzahl von Problemen auf. Typischerweise ist
die Anzahl der Windungen in der Primär- oder Sekundärwicklung
derart, daß hohe Widerstandsverluste auftreten. Obwohl diese Verluste
bei Anwendungen mit niedriger Leistung und niedriger Frequenz
normalerweise akzeptabel sind, unterscheiden sich bei Anwendungen mit
höherer Frequenz die physikalischen Grundlagen der elektrischen
Leitung in den Wicklungen qualitativ dadurch, daß Skin-Effekte und
Nachbarschaftseffekte die effiziente Nutzung des gesamten Drahtquerschnitts
ausschließen. Die Widerstandsverluste werden somit bei hohen
Frequenzen übertrieben hoch.
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Aufgrund der Mehrzahl von Windungen in jeder der Wicklungen an dem
Transformator ist es außerdem schwierig, einen ein niedriges Profil
aufweisenden bzw. planaren Leistungstransformator herzustellen. Die
Möglichkeit der Herstellung eines planaren Leistungstransformators
erlangt insbesondere dort besondere Bedeutung, wo mehrere
Ausgangsspulen an dem Transformator erforderlich sind.
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Im Stand der Technik wurden eine Anzahl von Ausbildungen entwickelt,
bei denen mehrere Platten aus magnetischem Material als Kernstruktur
für einen Transformator verwendet werden. Beispiele hierfür sind zu
sehen in HASE, "Regulating Transformer with Magnetic Shunt", US-A-
4 206 434 (1980); KOUYOUMJIAN "Electric Control Apparatus", US-
A-1 910 172 (1933); STIMLER, "Alternating Electric Current
Transformer", US-A-2 598 617 (1952); und DOWLING "Electrical
Translating Apparatus", US-A-1 793 312 (1931).
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Die elektrische Wandlungsfunktion, die z.B. von dem Transformator des
Standes der Technik gemäß US-A-4 206 434 ausgeführt wird, ist jedoch
immer noch von dem Verhältnis der Windungen der Primärwicklung und
der Sekundärwicklung zueinander abhängig und unterliegt somit einem
jeden der vorstehend erörterten, bei hohen Frequenzen auftretenden
Mängel.
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Der Transformator des Standes der Technik gemäß US-A-4 206 434
besitzt zwar ein Längenverhältnis, gemäß dem er breiter und größer
ausgebildet ist als er dick ist, doch trotzdem ist der Transformator nicht
extrem dünn oder flach.
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Es besteht daher ein Bedarf für eine Ausbildung eines elektrischen
Transformators, die sowohl eine extrem schlanke oder flache Gestaltung
des Transformators ermöglicht und/oder eine Verwendung desselben bei
Anwendungen mit hohen Frequenzen ermöglicht, ohne daß dabei die
Nachteile der Transformatoren des Standes der Technik auftreten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein planarer Transformator mit
einem Magnetkern geschaffen, der wenigstens eine ebene Platte mit
durch den Kern hindurch ausgebildeten Öffnungen und mit durch die
Öffnungen hindurch angeordneten Wicklungen aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Platte ein erstes und ein zweites Paar von sich
durch diese hindurcherstreckenden Schlitzen aufweist, wobei die
Schlitze des ersten Paares innerhalb der Platte durch eine erste entsprechende
vorbestimmte Distanz voneinander getrennt sind und die Schlitze des
zweiten Paares von Schlitzen innerhalb der Platte durch eine sich von
der ersten vorbestimmten Distanz unterscheidende, zweite vorbestimmte
Distanz voneinander getrennt sind, weiterhin dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Leiter zur Bildung einer ersten Schleife durch das erste
Paar von Schlitzen hindurch angeordnet ist, wobei die Schleife eine der
ersten vorbestimmten Distanz in etwa entsprechende Dimension besitzt,
sowie weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Leiter durch
das zweite Paar von Schlitzen hindurch angeordnet ist und eine zweite
Schleife bildet, die wenigstens eine der zweiten vorbestimmten Distanz
in etwa entsprechende Dimension besitzt, wobei die erste und die zweite
Schleife durch die Platte magnetisch miteinander gekoppelt sind, um
zwischen den Schleifen eine magnetische Koppelung zu schaffen, wobei
ein zwischen den Schleifen bestehendes Spannungsverhältnis in etwa dem
Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten vorbestimmten Distanz
entspricht.
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Der Transformatorkern kann eine Mehrzahl ebener Platten umfassen,
wobei durch jede Platte hindurch ein erstes und ein zweites Paar von
Schlitzen in einander entsprechender Weise ausgebildet sind und wobei
der erste und der zweite Leiter durch entsprechende Schlitze hindurch
angeordnet sind und dadurch den entsprechenden ersten und zweiten
Kreis bzw. Schleife durch alle der mehreren Platten hindurch bilden.
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Jede der Platten einer Mehrzahl ebener Platten kann durch eine
Isolierschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit separat isoliert vorgesehen sein, so
daß Wärme aus den mehreren Platten in einfacher Weise heraus
abgeleitet wird. Die Isolierschichten können jeweils BeO und AlN in
Laminatform umfassen.
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Bei der Ausführung der Erfindung kann jede der Kernplatten dünn und
flach ausgebildet sein und besteht vorzugsweise aus ferromagnetischem
Material, so daß ein ein niedriges Profil aufweisender Transformator mit
minimalen Leitfähigkeitsverlusten durch die Leiter bei hohen Frequenzen
aufgrund des Skin-Effekts und des Nachbarschaftseffekts sowie mit
minimalen Wirbelstromverlusten innerhalb der mehreren Platten
geschaffen wird.
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Bei den Leitern des Transformators kann es sich um flache Bandleiter
aus amorphem Metall handeln.
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Zum einfacheren Verständnis der Erfindung sowie ihrer verschiedenen
anderen bevorzugten Merkmale werden einige Ausführungsbeispiele
derselben nun lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen erläutert, in denen gleichartige Elemente mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet sind; dabei zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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Fig. 2 eine Draufsicht auf einen von mehreren Ferritkernen, die
bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet
werden,
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Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 des Ferritkerns
der Fig. 2,
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Fig. 4 eine schematische Perspektivansicht eines zweiten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Ein ein niedriges Profil aufweisender und mit hoher Frequenz
arbeitender Leistungstransformator umfaßt eine Mehrzahl isolierter ebener
Ferritplatten, die einer Stapelanordnung ausgebildet sind. Bei einem
Ausführungsbeispiel sind ein paar Schlitze durch die Stapelanordnung
isolierter Platten hindurch ausgebildet. Ein Einwindungs-Leiter aus
metallischem Bandmaterial wird dann in einer Schleife durch jedes
Schlitzpaar hindurchgeführt, um eine entsprechende erste und zweite
Schleife zu bilden, die in einem Magnetflußkreis durch den Stapel
hindurch miteinander gekoppelt werden. Die das eine Paar von Schlitzen
trennende Distanz unterscheidet sich von der das andere Paar von
Schlitzen trennenden Distanz, so daß die durch die Bänder gebildeten
Schleifen bzw. Kreise einen entsprechenden unterschiedlichen Querschnitt
aufweisen. Das Verhältnis der Spannungen an den Bändern ist somit
proportional zu dem Verhältnis der jeweiligen Querschnittsflächen der
Bandkreise. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein drittes Band
hinzugeführt, daß eine dem zweiten Band entsprechende
Querschnittsschleifenfläche aufweist, um dadurch symmetrische
Einwindungs-Ausgangsspulen zu schaffen.
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Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine
oder mehrere Ferritplatten aufweisen, die kollektiv mit dem
Bezugszeichen 10 bezeichnet sind. Bei Verwendung mehrerer Platten, sind
diese aufeinander oder hintereinander gestapelt, um dadurch eine flache
Anordnung zu bilden. Jede einzelne Platte, die mit dem Bezugszeichen
12 bezeichnet ist, ist von den anderen Platten entweder durch das
einfache zweckdienliche Mittel eines Spalts, wie dies schematisch in Fig. 1
dargestellt ist, oder vorzugsweise durch eine dünne Zwischenschicht aus
Isoliermaterial (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Bei dem Isoliermaterial
kann es sich um ein dünnes Laminat oder eine dünne Beschichtung auf
jeder Platte 12 handeln, das bzw. die hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist,
um eine verbesserte Wärmeableitung oder Kühlkörperfunktion von dem
Transformator weg zu ermöglichen. Geeignete Isolierschichten
beinhalten BeO und AlN in Laminatform. Alternativ hierzu kann es sich bei
den Platten 12 um amorphe Metallflachstücke handeln, die in ähnlicher
Weise voneinander isoliert sind.
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Wenigstens zwei Sätze von Schlitzen 14 und 16 sind durch jede der
Platten 12 hindurch ausgebildet. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Schlitze 14 durch den oberen Bereich jeder
Platte 12 hindurch ausgebildet und mit einer vorbestimmten Distanz 18
voneinander getrennt. Der untere Satz von Schlitzen 16 ist durch den
unteren Bereich der Platten 12 hindurch ausgebildet, wie dies in Fig. 1
gezeigt ist, wobei die Schlitze 16 mit einer vorbestimmten Distanz 20
voneinander getrennt sind. Ein Merkmal der Erfindung besteht darin,
daß die Distanzen 18 und 20 ungleich sind.
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Die Sätze der Schlitze 14 und 16 sind jedenfalls in identischer Weise
durch jede der den selektiven Stapel 10 bildenden Platten 12 hindurch
ausgebildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Distanz 18
größer als die Distanz 20, wobei sie genauer gesagt doppelt so groß ist.
Ein erstes leitfähiges Band 22 ist als Eingangskreis oder
Eingangswicklung vorgesehen und in der in Fig. 1 gezeigten Weise durch jeden der
Schlitze 14 an dem linken Rand der Platten 12 hindurch und sodann
über die Rückseite der hintersten Platte 12 (nicht gezeigt) sowie zurück
durch die ganz rechts befindlichen Schlitze 14 zur Bildung einer
Rücklaufleitung geführt. Das Band 22 bildet somit eine einzige Schleife durch
die Schlitze 14 der Ansammlung 10 der Platten 12. In ähnlicher Weise
wird ein zweites leitfähiges Band 24 gleichermaßen durch die ganz links
befindlichen unteren Schlitze 16 der Ansammlung 10 der Platten 12
hindurch und sodann über die Rückseite der hintersten Platte 12 sowie
nach außen durch die ganz rechts befindlichen Schlitze 16 zur Bildung
einer Rückführleitung angeordnet. Das Band 24 bildet somit eine zweite
leitfähige Schleife, die durch den durch die Ansammlung 10 von Platten
12 gebildeten Magnetkreis mit der durch das erste Band 22 gebildeten
Schleife gekoppelt ist. Die Bänder 22 und 24 sind aus metallischem
Flachmaterial hergestellt und besitzen typischerweise eine Dicke von
0,00254 bis 0,0254 cm (0,001 bis 0,01 Inch). Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Bändern 22 und 24 um ein
Metall, wie z.B. Kupfer. Obwohl es in der schematischen Darstellung
der Fig. 1 nicht gezeigt ist, können die Bänder 22 und 24 auch
isolierende Überzüge, Schichten oder Abdeckungen beinhalten, die ein
Kurzschließen über den durch die Bänder 22 und 24 gebildeten Kreis oder
andere Streuleitungen durch die Ansammlung 10 von Platten 12 hindurch
verhindern.
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Fig. 2 zeigt eine von oben gesehene Draufsicht auf eine der in Fig. 1
gezeigten Ferritplatten 12. Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang
der winkeligen Schnittlinie 3-3 der Fig. 2, so daß eine Schnittansicht
durch jeden Schlitz 14 und 16 dargestellt ist. Fig. 1 zeigt im Fall einer
durch die Schlitze 14 und 16, die eine wesentlich größere Breite als die
Dicke des Bands aufweisen, hindurchgeführten, durch die Bänder
gebildeten
Schleife, daß die Distanzen 20 und 18 von entsprechenden Seiten
eines jeweiligen Schlitzes gemessen werden müssen. Genauer gesagt
wird in Fig. 2 die Distanz 18 jeweils von der linken Seite der Schlitze
14 und 16 gemessen, da die Bänder 22 und 24 von der linken Seite in
den Stapel 10 eingeführt und aus diesem herausgeführt werden und
somit während der Schleifenbildung auf die linke Seite jedes Schlitzes
gezogen werden. Es ist klar erkennbar, daß die Distanzen bei
Verwendung anderer Herstellungstechniken anders definiert würden, z.B., wenn
die Bänder 22 und 24 beide von der rechten Seite her eingeführt und auf
der rechten Seite her ausgeführt würden und umgekehrt.
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Obwohl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nur eine
einzige Schleife durch die Bänder 22 und 24 gebildet wird, beträgt das
Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung dennoch zwei
zu eins. Dies basiert auf der Tatsache, daß die innerhalb der
Ansammlung 10 von Platten 12 von der durch das Band 22 gebildeten Schleife
umschlossene Querschnittsfläche doppelt so groß ist wie die durch die
Schleife des Bands 24 umschlossene Querschnittsfläche. Dieses
überraschende Ergebnis, d.h. das trotz des Vorhandenseins von nur einer
Schleife hohe Spannungsverhältnis, ergibt sich dadurch, daß die Distanz
zwischen den oberen Schlitzen 14 in etwa doppelt so groß ist wie die
Distanz zwischen den unteren Schlitzen 16. Auf diese Weise läßt sich
das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung variieren,
um dadurch noch größere oder niedrigere Verhältnisse je nach dem
Verhältnis der Distanzen 18 und 20 zu erzielen. Obwohl sich dieses
Verhältnis nicht unendlich erweitern läßt, erwartet man, daß
Verhältnisse von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung in der
Größenordnung von 5 in der Praxis mit einer nach der Lehre der Fig. 1
ausgebildeten Vorrichtung erzielbar sind.
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Die Erfindung besitzt weiterhin den Vorteil, daß der Eingang und der
Ausgang der Bandverbinder 22 und 24 in der geschilderten Weise aus
flachstückartig ausgebildeten Leitern gebildet sind, wobei es sich bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel um Bänder handelt, die eine
Breite von 0,508 cm (0,2 Inch) und eine Dicke von 0,00762 cm (0,003
Inch) aufweisen. Dadurch sind Leitungsverluste durch Reduzieren des
Skineffekts und des Nachbarschaftseffekts auf ein Minimum reduziert,
und somit wird eine höhere Strombelastbarkeit erzeugt. Bei einem
herkömmlich runden Draht z.B., der dieselbe Querschnittsfläche wie ein
Bandleiter mit einer Dicke von 0,00762 cm (0,003 Inch) und einer
Breite von 0,508 cm (0,2 Inch) aufweist, könnte man um 300 Prozent
höhere Verluste erwarten.
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Weiterhin ermöglicht die Erfindung die Schaffung einer in sich flachen
oder planaren Struktur. Es ist nicht nur so, daß der zusammengesetzte
Stapel bzw. die Ansammlung 10 aus Platten 12 wesentlich dünner als
herkömmliche Kerne ist, sondern die Hinzufügung der Bandleiter 22 und
24 führt ebenfalls zu einer vernachlässigbar geringen Vergrößerung der
Gesamtdicke des Transformators. Unabhängig davon, wie dünn der
Transformator wird, wird jedoch das Verhältnis von Eingangsspannung
zu Ausgangsspannung nicht wesentlich beeinträchtigt. Tatsächlich
erwartet man, daß keine Auswirkung auf die
Spannungswandlungeigenschaften bei Transformatoren auftritt, die bis zu 0,1270 cm (0,05 Inch)
dünn sind und eine oder mehrere Platten 12 verwenden.
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Die Verwendung von laminiertem Ferrit für jede Platte 12 reduziert
außerdem die Wirbelstromverluste in dem Ferritmaterial. Diese
Wirbelstromverluste sind bei hohen Frequenzen ganz beträchtlich und belaufen
sich auf bis zu 50,80 Prozent Energieverlust bei 500 bis 1000 kHz. Eine
gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung dagegen kann bei
Verwendung von 0,1270 cm (0,05 Inch) dicken Ferritplatten zu einer
Reduzierung der Wirbelstromverluste von 50 Prozent oder mehr führen.
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Bei bestimmten Anwendungen besteht die Notwendigkeit, eine Mehrzahl
identischer elektronischen Schaltkreise oder Lasten parallel zu schalten,
um dadurch die Gesamtleistung zu erhöhen, die der kollektiven Last
zugeführt werden kann. Ein Einwindungs-Transformator, wie er in
Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden ist, bietet den beträchtlichen
Vorteil, daß bei Betrieb solcher aus mehreren Lasten gebildeten
Einheiten durch denselben Transformator, wie er nachfolgend in
Verbindung mit Fig. 4 dargestellt und beschrieben wird, durch die
Transformatorausbildung sichergestellt wird, daß die Last gleichmäßig
auf alle der elektronischen Schaltkreise verteilt ist. Die Last und die
elektronische Belastung, wie z.B. die Wärmeableitung und dergleichen,
die auf jeden der einzelnen Schaltkreise wirken, werden somit reduziert
und die Gesamtzuverlässigkeit des Produkts wird dadurch auf ein
Maximum gebracht.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist eine Perspektivansicht eines solchen
Einwindungs-Transformators mit doppeltem Ausgang schematisch
dargestellt, wobei der Transformator allgemein mit dem Bezugszeichen 30
bezeichnet ist. Der Transformator 30 beinhaltet gleichermaßen eine oder
mehrere Ferritplatten 32, wobei in der Darstellung vier Platten
vorhanden sind. Die oder jede Platte besitzt bzw. besitzen allgemein
dieselbe Zusammensetzung und Anordnung, wie dies zuvor in Verbindung
mit den Figuren 1 bis 3 beschrieben worden ist. Die Platten 32 der Fig.
4 beinhalten jedoch eine Mehrzahl von Schlitzen, wobei drei bei den
Bezugszeichen 34, 36 und 38 dargestellt sind. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel sind die Schlitze 34 und 38 alle mit dem durch die
Mitte jeder Platte 32 hindurchgehenden Schlitz 36 identisch, wobei der
Schlitz 34 in der in Fig. 4 dargestellten Weise links davon und der
Schlitz 38 rechts davon angeordnet sind. Es ist ein metallisches
Eingangsband 40 vorgesehen und durch die ganz links befindlichen Schlitze
34 in den Platten 32 hindurch, über die Rückseite der hintersten Platte
32 und nach vorne durch die ganz rechts befindlichen Schlitze 38 der
Platten 32 hindurch zur Bildung einer Rückleitung angeordnet.
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Der Transformator 30 beinhaltet jedoch zwei Ausgangsleiter, nämlich
die Bänder 42 und 44. Das Ausgangsband 42 ist in ähnlicher Weise
durch den ganz links befindlichen Schlitz 34 jeder Platte 32 hindurch
und über die Rückseite der hintersten Platte 32 hinweg angeordnet, ist
jedoch dann durch den mittleren Schlitz 36 in jeder der Platten 32 nach
vorne und nach links nach außen geführt, um eine Rückleitung zu
bilden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. In ähnlicher Weise ist das
Ausgangsband 44 durch den ganz rechts befindlichen Schlitz 38 jeder Platte
32 hindurch, über die Rückseite der hintersten Platte 32 hinweg und
dann durch den mittleren Schlitz 36 nach vorne geführt, um eine nach
rechts gehende Rückleitung zu bilden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
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Der Transformator 30 ist nun mit zwei symmetrischen Einwindungs-
Ausgangsschleifen versehen, deren jede in etwa die halbe
Querschnittsfläche der durch das Band 40 gebildeten Eingangsschleife
aufweist. Aufgrund der Symmetrie der durch die Bänder 42 und 44
gebildeten Ausgangsschleifen ist jedoch die Leistung, die einer mit den Bändern
42 bzw. 44 gekoppelten ersten und zweiten Last zugeführt wird,
gleichermaßen symmetrisch bzw. gleich.
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Es ist ausdrücklich darauf hinzuweisen, daß das Ausführungsbeispiel der
Fig. 4 derart erweitert werden kann, daß es sogar mehr
Ausgangsschleifen beinhaltet, deren Gesamtanzahl ungerade oder gerade ist und
die in ähnlicher Weise durch die Schlitze 34, 36 und 38 hindurch
angeordnet werden könnten, indem man eine oder mehrere Schleifen über
den durch die Bänder 42 und 44 gebildeten Schleifen ausbildet oder man
zusätzliche gegenseitig isolierte Bänder oben auf oder konzentrisch
innerhalb der in Fig. 4 dargestellten, durch die Bänder 42 und 44
gebildeten Schleifen anordnet.