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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur
Begrenzung der Spannung an den Klemmen einer Wicklung eines
Transformators.
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Die Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung eines
Transformators kann einen Wert erreichen, der deutlich über dem
Nennwert liegt, den man im Normalbetrieb erreicht, z.B. wenn
man eine stufenförmige Spannung an die Primärwicklung dieses
Transformators angelegt. Diese erhöhte Spannung kann die an die
Klemmen dieser Sekundärwicklung angeschlossenen Schaltungen und
sogar den Transformator selbst beschädigen.
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Nach dem Stand der Technik wird die Spannung an den Klemmen
einer Transformatorwicklung entweder durch Dämpfung oder durch
Spitzenbegrenzung begrenzt. Die Dämpfung besteht darin, mit
Hilfe einer Schaltung des Typs init Widerstand und Kondensator
Verluste durch den Joule-Effekt an den Klemmen der Wicklung
einzuführen. Die Spitzenbegrenzung besteht darin, die Spannung
an den Anschlüssen der Wicklung mit Hilfe einer Schaltung zu
begrenzen, die beispielsweise wenigstens eine Diode und eine
Spannungsquelle aufweist, denen weitere Elemente wie
Kondensatoren, Widerstände und Induktivitäten oder aktive Schaltungen
zugeordnet sein können.
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Davon abgesehen, daß alle diese bekannten Vorrichtungen
allgemein eine große Anzahl von voluminösen Bauteilen außerhalb des
Transformators erfordern, weisen sie wenigstens einen der
beiden folgenden Nachteile auf:
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- nicht zu vernachlässigende Energieableitung, was bei den
meisten Dämpfungs- und Spitzenbegrenzerschaltungen der Fall ist;
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- Spitzenbegrenzung auf einen Spannungswert, der sich nicht im
gleichen Verhältnis wie die Eingangsspannung des Transformators
ändert, was dazu führt, daß die Spannung an den Anschlüssen der
Sekundärwicklung die Form einer veränderlichen Welle aufweist,
wenn sich der Wert der Eingangsspannung ändert.
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Diese beiden Nachteile sind besonders bei Netzteilen störend,
der erste wegen der schwierigen Evakuierung der in den
Bauteilen erzeugten Kalorien und der Senkung der Ausbeute
insbesondere bei hoher Frequenz, und der zweite wegen der Schwierigkeit,
eine Versorgung zu regeln, die eine veränderliche Wellenform
empfängt.
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Aus dem Dokument DE-A-4 004 412 ist ein Transformator für einen
Gleichumrichter bekannt, der eine Tertiärwicklung aufweist, die
in Reihe und im additiven Modus mit der Primärwicklung
geschaltet wird, womit die Spannung an der Sekundärwicklung nicht
verringert werden kann.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung
zur Begrenzung der Spannung an den Klemmen einer
Sekundärwicklung eines Transformators, die praktisch nicht zum Ort einer
Wärmeableitung wird und praktisch keine Veränderung der
Wellenform der Sekundärspannung erzeugt, wenn sich der Wert der
Primärspannung ändert
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Die Anordnung nach der Erfindung, die mit einem Transformator
verwendet wird, der wenigstens eine Primärwicklung, wenigstens
eine Sekundärwicklung und wenigstens eine Tertiärwicklung
aufweist, die vorteilhaft praktisch die gleiche Windungszahl wie
die Primärwicklung hat und über wenigstens eine Diode mit der
die Primärwicklung des Transformators speisenden
Spannungsquelle verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß jede
Tertiärwicklung gegensinnig an die Primärwicklung angeschlossen ist.
Vorteilhaft ist in Serie mit der Primärwicklung wenigstens eine
Induktivität angeordnet, die den Wert der Sekundär-/Primär-
Streumduktivität des Transformators künstlich erhöht.
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Die vorliegende Erfindung ist leichter aus der Lektüre der
detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform und dann aus dem
nicht einschränkenden Beispiel zu verstehen, das durch die
beigefügte Zeichnung veranschaulicht ist; darin zeigen:
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- Fig. 1 ein entsprechendes Schema eines einfachen
Transformators mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung;
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- Fig. 2 ein Zeitdiagramm einer reellen Spannung ohne
Verluste, einer reellen Spannung mit Verlusten und einer
theoretischen Spannung an den Klemmen einer Sekundärwicklung eines
Transformators, dessen Primärwicklung eine stufenförmige
Spannung empfängt;
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- Fig. 3 und 4 vereinfachte Prinzipschemata von
Begrenzervorrichtungen nach dem Stand der Technik;
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- Fig. 5 ein Prinzipschema einer Begrenzeranordnung nach
der Erfindung;
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- Fig. 6 und 7 entsprechende Schemata der Anordnung von
Fig. 5;
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- Fig. 8 ein Zeitdiagramm der Spannung an der
Sekundärwicklung des Transformators von Fig. 5; und
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- Fig. 9 ein praktisches Ausführungsschema einer
Spannungsbegrenzeranordnung nach der Erfindung.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf einen
"einfachen" Transformator beschrieben, der eine Primärwicklung und
eine Sekundärwicklung aufweist, sie kann aber
selbstverständlich auf Transformatoren mit inehreren Sekundärwicklungen
angewandt werden, und die Anordnung der Erfindung kann auf einen
Teil dieser Sekundärwicklungen (nur diejenigen, an deren
Klemmen Schaltungen angeschlossen sind, die Überspannungen
befürchten) oder auf alle sekundärwicklungen angewandt werden.
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In Fig. 1 wurde das vereinfachte, entsprechende Schema eines
Transformators dargestellt, der eine Primärwicklung mit N1
Windungen und eine Sekundärwicklung mit N2 Windungen aufweist. An
den Klemmen dieser Wicklungen liegen die Spannungen V1 bzw. V2
an. Die beiden parasitären Elemente dieses Transformators sind
seine Streumduktivität L und die Kopplungskapazität C zwischen
den Wicklungen.
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Das entsprechende Schema von Fig. 1 weist einen perfekten
Transformator 1 mit dem Verhältnis N2/N1 in Parallelschaltung
auf, an dessen Primärwicklung die Kapazität c liegt, wobei
diese Primärwicklung mit der Induktivität L in Reihe geschaltet
ist. Tatsächlich müßte man zu C die Kapazität der Last
addieren, die an die Sekundärwicklung angeschlossen ist und an die
Primärwicklung zurückgeführt wird.
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Wird an die Primärseite dieses Transformators eine
stufenförmige Spannung mit der Amplitude Vl angelegt, dann folgt die
Spannung V2 an den Klemmen der Sekundärschaltung dem folgenden
reellen Schwingungsgesetz, wenn die Verluste vernachlässigt
werden:
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V2 = mV1[1 - cos(t / (LC)1/2)]
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der Verlauf dieser Spannung ist dann in Fig. 2 bei 2
dargestellt.
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In Wirklichkeit ist die erhaltene Wellenform durch die Verluste
aufgrund des Joule-Effekts in den Wicklungen des Transformators
gedämpft, und die Spannung V2 tendiert zum endgültigen Wert V2
= mV1 (in Fig. 2 bei 3 dargestellte Form).
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Es ist zu bemerken, daß die Spannung V2 im Idealfall, also ohne
die parasitären Elemente L und C, die Form einer horizontalen
Gerade mit der Ordinate V2 = mV1 hätte.
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Unter Vernachlässigung der Verluste aufgrund dieser parasitären
Elemente, was im folgenden geschieht, sieht man, daß die
Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators
2mV1, also zweimal die ideale Spannung erreichen kann. Bei
zahlreichen Anwendungen (Schaltnetzteilen,
Impulstransformatoren, ...) kann diese Überspannung stören und für die unterhalb
der Sekundärwicklung angeschlossenen Schaltungen sogar
gefährlich sein. Die Spannung V2 muß also begrenzt werden.
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In Fig. 3 und 4 sind die Prinzipschemata von
Begrenzervorrichtungen aus dem Stand der Technik dargestellt. Nach Fig. 3 ist
an die Sekundärseite des Transformators 5 eine Reihenschaltung
mit einem Widerstand 6 und einem Kondensator 7 angeschlossen.
Nach Fig. 4 ist an eine Sekundärseite des Transformators 5 eine
(oder mehrere) Diode(n) 8 in Reihe mit einer Spannungsquelle 9
angeschlossen, die die Diode 8 in Sperrichtung vorspannt. Die
Nachteile dieser bekannen Typen von Begrenzerschaltungen wurden
oben in der Einleitung beschrieben.
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In Fig. 5 ist das Prinzipschema einer Begrenzervorrichtung nach
der Erfindung dargestellt. Der Transformator 10 weist außer der
Primärwicklung mit N1 Windungen und der Sekundärwicklung mit N2
Windungen eine Tertiärwicklung mit N3 Windungen auf. Die
Tertirwicklung ist so fest wie möglich mit der Sekundärwicklung
gekoppelt (sie snd beispielsweise in der gleichen Schicht oder
in nebeneinanderliegenden Schichten gewickelt). Vorteilhaft ist
N3 = N1. Die Primärwicklung wird über einen Schalter 12 von
einer Spannungsquelle 11 versorgt. Eines der Enden der
Tertiärwicklung ist direkt mit einer Klemme der Quelle 11 verbunden,
und ihr anderes Ende ist durch eine Diode 13 (oder
gegebenenfalls eine Gruppe von Dioden, d.h. bei hohen beteiligten
Spannungen) mit der anderen Klemme der Quelle 11 verbunden.
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Die Quelle 11 liefert unbelastet (Schalter 12 geöffnet) eine
Spannung V0. Die Spannungen an den Klemmen der Primär-,
Sekundär- und Tertiärwicklung sind mit V1 bzw. V2 und V3 bezeichnet.
Es sei L1 die Streumduktivität, die zur Prirnärseite
zurückgeführt wird, wenn die Sekundärseite im Kurzschluß liegt, L2 die
Streumduktivität, die zur Tertiärseite zurückgeführt wird,
wenn die Sekundärseite im Kurzschluß liegt und C die Kapazität
zwischen den Windungen aller Wicklungen, die zur Primärseite
zurückgeführt wird. Dann erhält man das entsprechende, in
Fig. 6 dargestellte Schema.
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Auf dem Schema von Fig. 6 ist ein erster perfekter
Transformator 14 mit dem Verhältnis M = N2/N1 über L1 und den Schalter 12
mit der Quelle 11 verbunden. Die Kapazität c liegt parallel zu
seinem Eingang. Der Ausgang des Transformators 14 ist direkt
mit dem Eingang eines zweiten perfekten Transformators 15 mit
dem Verhältnis um = N1/N2 verbunden. Eine der Ausgangsklemmen
des Transformators 15 ist direkt mit einer Klemme der Quelle 11
verbunden, und seine andere Ausgangsklemme ist über L2 und die
Diode 13 direkt mit der anderen Klemme der Quelle 11 verbunden.
An den Klemmen L1 und C liegt die Spannung V1 vor. Am Ausgang
von 14 hat man die Spannung V2, und am Ausgang von 15,
unterhalb von L, hat man die Spannung V3.
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In Fig. 7 wurde die vereinfachte Version des Schemas von Fig. 6
dargestellt. Gegenüber dem Schema von Fig. 6 wurden die
Transformatoren 14 und 15 weggelassen. Mit V2/m wurde die Spannung
an den Klemmen von C bezeichnet, und mit I1 und 12 wurden die
Ströme bezeichnet, die in L1 bzw. L2 fließen.
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Vor dem Schließen des Schalters 12 hat man:
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V1 = V2 = V3 = 0
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I1 = I2 = 0
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Schließt man den Schalter 12, dann entwickeln sich V1 = V0 und
V2/m sowie 11 nach den folgenden Gesetzen, wobei der zeitliche
Ursprung der Zeitpunkt des Schließens des Schalters 12 ist:
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V2 / m = V0{1 - cos[t / (L1C)1/2]}, und
I1 = V0{(C / L1)1/2 sin[t / (L1C)1/2]}
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Solange V2/m < V0 ist, ist die Diode 13 gesperrt, und V3 = V2/m
und I2 = 0.
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Zum Zeitpunkt t = (π/2) (L1C)1/2 haben wir V2/m = V0, und die
Diode 13 beginnt zu leiten. Dann gelten bei der Vorrichtung von
Fig. 7 die folgenden Gleichungen:
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V0 - V2/m = L1dI1/dt = -L2dI2/dt und
(C/m)dV2/dt = I1 - I2
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mit den folgenden Ausgangsbedingungen:
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V2/m = V0 = V1 = V3
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I1 = V0(C/L1)1/2
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I2 = 0
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was folgendes ergibt:
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V2 = mV0[1 + {L2 / (L1 + L2}1/2] sin(wt + F) (1)
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mit w = 1 / [L1L2C / (L1 + L2)]1/2
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F = -(π / 2)[(L1 + L2) / L2]1/2
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Diese Gleichung (1) bleibt gültig, solange die Diode 13 im
Durchlaßzustand bleibt, was der Fall ist, wenn die Anordnung
nicht gedämpft ist.
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In Fig. 8 wurde der Verlauf der Kurve 16, die für die Gleichung
(1) steht, durchgezogen dargestellt, und der Verlauf der Kurve
17 des reellen Gesetzes ohne Verluste für Vorrichtungen ohne
Begrenzungen wurde gestrichelt dargestellt. In dieser Figur 8
verläuft die Kurve 17 durch ein Maximum gleich 2mV0. Die Kurve
16 läuft ein erstes Mal durch den Wert mV0 zum Zeitpunkt T1 =
(π/2) (L1C)1/2 und gelangt an ein Maximum V2max wie:
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V2 max = mV0[1 + {L2 / (L1 + L2)}1/2];
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wobei dieser Wert deutlich unter 2mV0 liegt.
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Demnach kommt es bei der Anordnung zur Spannungsbegrenzung an
der Sekundärseite nach der Erfindung praktisch zu keiner
Energieableitung, und die Veränderungen der Wellenform der
begrenzten Spannung sind praktisch unabhängig von der Veränderung der
Eingangsspannung V0. Der Energieaustausch
Primärseite/Sekundärseite wird nämlich durch reaktive Bauteile bewirkt, bei denen
praktisch keine Verluste durch den Joule-Effekt auftreten. Die
obige Gleichung (1) zeigt, daß sich die Spannung V2
proportional zu V0 ändert, was bedeutet, daß die Wellenform an der
Sekundärseite unabhängig von dem Wert von V0 konstant ist.
Darüber hinaus ist der Platzbedarf dieser Anordnung kaum höher als
für den Transformator, da sie außer dem Transformator nur eine
oder mehrere Dioden benötigt. Der Platzbedarf des
Transformators selbst ist kaum erhöht, da die Tertiärwicklung allgemein
von einem viel schwächeren Wirkstrom durchflossen wird als bei
den anderen Wicklungen des Transformators. Diese
Tertiärwicklung kann demnach mit einem Leiter mit niedrigem Querschnitt
realisiert werden und erhöht damit praktisch nicht den
Platzbedarf des Transformators.
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Die Leistungen der Anordnung nach der Erfindung stehen mit dem
Verhältnis der Streumduktivitäten L2/L1 in Zusammenhang, und
sie sind um so besser, je niedriger das Verhältnis L2/L1 ist,
was leicht aus der obigen Gleichung (1) zu ersehen ist. Die
theoretischen Grenzwerte werden für L2/L1 null (maximale
Leistungen) und für L2/L1 unendlich (minimale Leistungen)
erhalten, was V2max = mV0 bzw. V2max = 2mV0 ergibt.
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In der Praxis läßt sich schwer ein sehr niedriges Verhältnis
L2/L1 erhalten, denn die Isolierbedingungen zwischen den
Schichten eines Transformators erfordern einen minimalen Raum
zwischen der Sekundär- und der Tertiärwicklung. Daraus ergibt
sich eine nicht zu vernachlässigende Streumduktivität L2.
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Nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung wird das
Verhältnis L2/L1 allerdings künstlich verkleinert, indem L1 mit
Hilfe wenigstens einer Induktivität außerhalb des
Transformators vergrößert wird, die in Reihe mit seiner Primärwicklung
geschaltet ist, wie dies unten unter Bezug auf Fig. 9
beschrieben wird. Bevorzugt sucht man dann nach einem Kompromiß
zwischen der Verbesserung der Leistungen der Anordnung, dem
Platzbedarf der zusätzlichen Induktivität(en) und der Wirkung der
zusätzlichen Induktivitäten auf die zu dem Transformator
geschickten Signale (falls diese Signale Impulse mit steilen
Flanken sind, dann besteht die Gefahr, daß sie durch eine zu
starke zusätzliche Induktivität stark verformt werden).
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In Fig. 9 wurde ein Ausführungsbeispiel eines Schaltnetzteils
mit einer Begrenzeranordnung nach der Erfindung dargestellt. Im
vorliegenden Fall ist das Schaltnetzteil eine Versorgung mit
hoher Leistung (etwa 10 kW). Der hier verwendete Transformator
18 weist eine Primärwicklung 19, eine Sekundärwicklung 20 sowie
eine Tertiärwicklung 21 auf. Die Anzahl der Windungen dieser
Wicklungen beträgt 18 bzw. 48 und 18 Windungen. Die
Streuinduktivitäten Ll (Sekundär-/Primärseite) und L2
(Sekundär-/Tertiärseite) betragen jeweils etwa 5 uH. Zur künstlichen Vergrößerung
des Werts von L1 sind mit der Wicklung 19 zwei Induktivitäten
22, 23 mit jeweils etwa 5 uH in Reihe geschaltet, womit L1 auf
einen Wert von etwa 15 uH gebracht wird.
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Die Wicklung 19 wird von einer Gleichspanungsquelle 24
versorgt, die zwischen 400 und 600 V variieren kann. Auf die
Quelle 24 folgt ein Zerhacker 25 in herkömmlicher "H"-Schaltung.
Die Sekundärwicklung 20 ist mit einer Gleichrichterbrücke 26
verbunden, die eine maximale Spannung von 3000 V aushalten
kann. Die Wicklung 20 versorgt über eine Induktivität 27 eine
Last 28, die eine Leistung von etwa 10 kW bei einer
Nennspannung von etwa 750 V verbraucht. Die Tertiärwicklung 21 ist
durch eine Wheatstone-Gleichrichterbrücke 29 mit der Quelle 24
verbunden.
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An den Klemmen der Sekundärwicklung 20 beträgt der
Überspannungsfaktor 1+[L2/(L1+L2)]1/2, also 1,5, wodurch die an den
Eingang des Gleichrichters angelegte Spannung auf 600 V ×
(48/18) × 1,5 = 2400 V begrenzt werden kann, und nicht auf 600
× 48/18 = 3200 V ohne die Anordnung der Erfindung.
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In dem Falle, wo der Transformator mehrere Sekundärwicklungen
aufweist, wird vorteilhaft eine entsprechende Tertiärwicklung
für jede dieser Sekundärwicklungen vorgesehen.
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Auf alle Fälle kann man entweder eine dr Halbperioden oder die
beiden Halbperioden der Spannung Tertiärwicklung gleichrichten.
Im Falle von zwei Halbperioden verwendet man entweder eine
Diodenbrücke, oder die Tertiärwicklung weist einen Mittelpunkt
auf und man verwendet zwei Dioden.