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Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungsanordnung zum
Umwandeln einer als Eingangsspannung wirksamen elektrischen Gleichspannung in
eine Ausgangsspannung, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert.
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Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus "Elektronik Industrie"
1 (1986), Seiten 44, 46, 48 bekannt, siehe insbesondere Fig. 5. Die Begrenzerschaltung
soll vermeiden, dass die Spannung an dem Schaltelement sofort nach Ausschaltung
sehr schnell ansteigt. Die in der ersten Spule gespeicherte magnetische Energie wird
nach Öffnung des Schaltelementes in erster Instanz dazu benutzt, den ersten
Kondensator über das zweite Gleichrichterelement aufzuladen. Wenn der erste Kondensator
soweit aufgeladen ist, dass die Spannung an dem Schaltelement eine nicht mehr
vernachlässigbare Höhe erreicht, ist der Strom durch das Schaltelement inzwischen soweit
gesunken, dass in dem Schaltelement nur wenig oder keine Leistung aufgebraucht
wird. Die in dem ersten Kondensator gespeicherte elektrische Ladung wird daraufhin
der Quelle der Eingangsspannung zurückgegeben oder sie wird einer an die
Ausgangsklemmen angeschlossenen Last geliefert. Nachdem das Schaltelement geschlossen ist,
wird die Ladung des ersten Kondensators über dieses Schaltelement, das erste
Gleichrichterelement und die zweite Spule umgepolt. In dem günstigsten Fall sollte die
Spannung an dem Schaltelement nach Umpolung der Kondensatorspannung dem Wert
Null entsprechen und beim Abschalten genau bei Null anfangen. Es kann aber
passieren, dass beim Abschalten ein Spannungssprung an dem Schaltelement auftritt, was zu
Verlustleitung und Störstrahlung (EMI) führt.
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In EP-A-0246491 wird eine DC/DC-Energieversorgungsanordnung
mit einem Transformator, einem Schalttransistor und einer Begrenzerschaltung
beschrieben. Die Begrenzerschaltung ist derart vorgesehen und bemessen, dass eine
Entmagnetisierungswicklung überflüssig geworden ist.
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In US-A-4.709.316 wird ein DC-zu-DC-Wandler beschrieben, wobei
die Streuinduktivität des Isoliertransformators mit einem in Reihe mit der
Sekundärwicklung des Transformators vorgesehenen Resonanzkondensator resoniert zum
Lie
fern eines Stroms von etwa Null in dem Schalttransistor während der Ein- und
Abschaltung.
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Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
Energieversorgungsanordnung der eingangs erwähnten Art derart zu verbessern, dass ein
Spannungssprung beim Abschalten des Schaltelementes nicht mehr auftreten kann.
Dazu schafft die Erfindung eine Energieversorgungsanordnung, wie in Anspruch 1
definiert.
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Es gibt mehrere Möglichkeiten zur praktischen Durchführung der
Hilfsspannungsquelle. Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Anspruch 3 definiert.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Anspruch 4 definiert. Die
Konstruktion dieser beiden Ausführungsformen ist einfach, benutzt nur wenig zusätzliche
Teile und ist folglich preisgünstig.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1A und 1B einen Stromlaufplan bzw. eine Prinzipschaltung eines
ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung,
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Fig. 2 den Verlauf einiger Spannungen in der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1 als Funktion der Zeit,
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Fig. 3A, 3B und 3C einige Diagramme zur Erläuterung der
Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung, und
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Fig. 4A und 4B einen Stromlaufplan bzw. eine Prinzipschaltung eines
zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Energieversorgungsanordnung.
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Die in Fig. 1A dargestellte Energieversorgungsanordnung, von der Fig.
1B die Prinzipschaltung zeigt, enthält eine positive Eingangsklemme 1 und eine
negative Eingangsklemme 3, der eine elektrische Gleichspannung zugeführt werden kann,
die beispielsweise von einer Batterie oder einer (nicht dargestellten)
Netzgleichrichterschaltung herrühren kann. Ein zwischen den Eingangsklemmen 1, 3 vorgesehener
Eingangskondensator 5 dient zum Glätten einer etwaigen Welligkeitsspannung. Die
Eingangsklemmen 1, 3 sind weiterhin über eine erste Reihenschaltung 7, die in diesem
Fall aus einer ersten Spule 9 und einem steuerbaren Schaltelement 11 besteht,
miteinander verbunden. Die erste Spule 9 ist die Primärspule eines Transformators 13, der
weiterhin eine Sekundärspule 15 aufweist. Das steuerbare Schaltelement 11 ist in
diesem Fall ein NPN-Bipolartransistor. Andere bekannte Schaltelemente, wie
beispielsweise PNP-Transistoren oder MOSFET-Transistoren können selbstverständlich auch
verwendet werden. Eine Steuerschaltung 17 dient zur periodischen Zuführung von
Schaltimpulsen zu einer Steuerelektrode des Schaltelementes 11, damit dieses
wechselweise in einen elektrisch leitenden und elektrisch nicht-leitenden Zustand gebracht
werden kann. Die Sekundärspule 15 des Transformators 13 ist mit einer Diode 19 und
einem Ausgangskondensator 21 in Reihe geschaltet. Der Ausgangskondensator 21 ist
mit einer positiven Ausgangsklemme 23 und einer negativen Ausgangsklemme 25, mit
der eine (gestrichelt dargestellten) Last 27 verbunden werden kann.
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Die Energieversorgungsanordnung ist weiterhin mit einer
Begrenzerschaltung 9 versehen, die einen ersten Kondensator 31 und eine zweite
Reihenschaltung 33 aufweist, die u. a. eine zweite Spule 35, ein erstes Gleichrichterelemente 37
und ein zweites Gleichrichterelement 39 aufweist. Die zweite Reihenschaltung 33 ist
derart zu der ersten Reihenschaltung 7 parallelgeschaltet, dass die Kathoden der ersten
und zweiten Gleichrichterelemente 37, 39 auf die positive Eingangsklemme 1 gerichtet
sind. Eine Elektrode des ersten Kondensators 31 ist mit der Anode des zweiten
Gleichrichterelementes 39 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anode des
zweiten Gleichrichterelementes 39 auch mit der Kathode des ersten
Gleichrichterelementes 37 verbunden, wobei der Verbindungspunkt durch 41 bezeichnet ist. Es ist aber
auch möglich, die zweite Spule 35 und das erste Gleichrichterelement 37 zu
vertauschen. Die andere Elektrode des ersten Kondensators 31 ist mit dem Verbindungspunkt 43
der ersten Spule und des Schaltelementes 11 verbunden. Bisher entspricht die
Energieversorgungsanordnung bekannten Energieversorgungsanordnungen, wie
beispielsweise der eingangs erwähnten Energieversorgungsanordnung. Die in Fig. 1 dargestellte
Schaltungsanordnung weicht jedoch von der bekannten Schaltungsanordnung dadurch
ab, dass in der zweiten Reihenschaltung 33 weiterhin eine Hilfsspannungsquelle
vorgesehen ist, die durch einen zwischen der Kathode des zweiten Gleichrichterelementes
39 und der positiven Eingangsklemme vorgesehenen zweiten Kondensator 45 gebildet
wird, dessen mit der Kathode des zweiten Gleichrichterelementes verbundene
Elektrode über ein drittes Gleichrichterelement 47 auch mit einem Abgriff 49 der ersten Spule
9 verbunden ist. Das dritte Gleichrichterelement 47 ist dabei derart ausgerichtet, dass
die Anode mit dem zweiten Kondensator 45 verbunden ist.
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In der Prinzipschaltung nach Fig. 1B ist der Transformator 13 als
Kombination der Primärspule 9 und der Streuinduktivität 51 dargestellt. Die Kombination
des Eingangskonsdensators 5 mit der an die Eingangsklemmen 1, 3 angeschlossenen
Spannungsquelle ist als Speisebatterie 53 dargestellt und die von dem zweiten
Kondensator 45, dem dritten Gleichrichterelement 47 und dem Abgriff 49 gebildete
Hilfsspannungsquelle ist als Hilfsbatterie 55 dargestellt.
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Die dargestellte Energieversorgungsanordnung funktioniert im
Wesentlichen wie folgt. Wenn das Schaltelement 11 elektrisch leitend wird, fließt von der
positiven Eingangsklemme 1 über die erste Spule 9 und das Schaltelement 11 ein
Strom zu der negativen Eingangsklemme 3. Dadurch wird in dem Transformator 13
magnetische Energie gespeichert. Wenn das Schaltelement 11 geöffnet wird,
verursacht diese Energie einen Strom in der Sekundärspule 1 S. der über die Diode 19 den
Ausgangskondensator 21 auflädt und die Last 27 speist. Weil der Strom durch die
Primärspule 9 nach Öffnung des Schaltelementes 11 nur langsam abnimmt, würde
ohne weitere Maßnahmen die Spannung an dem Verbindungspunkt 43 dieser Spule
und des Schaltelementes sehr schnell ansteigen. Da der Strom in dem Schaltelement
11 nach Abschaltung desselben nur langsam abnimmt, würde viel Energie in dem
Schaltelement aufgebraucht werden, wodurch das Schaltelement schwer beschädigt
werden könnte. Außerdem würde der an dem Schaltelement 11 auftretende
Spannungssprung zu EMI führen. Diese Nachteile werden nun dadurch vermieden, dass
der Strom in der ersten Spule 9 über den ersten Kondensator 31 und das zweite
Gleichrichterelement 39 abfließen kann. In dem zweiten Kondensator 31 wird dabei Energie
gespeichert.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung wird anhand der Fig. 2
detailliert erläutert. Dabei werden die nachfolgenden Symbole verwendet:
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Vi die Eingangsspannung (die Spannung an der Speisebatterie 53),
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VO die Ausgangsspannung (die Spannung an dem Ausgangskondensator 21),
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n das Übersetzungsverhältnis des Transformators 13,
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VC die Spannung an dem ersten Kondensator 31,
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Vx die Spannung an der Hilfsbatterie 55,
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V&sub4;&sub1; und V&sub4;&sub3; die Spannungen an der Verbindungspunkten 41 bzw. 43,
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ΔV die Spannung an der Streuinduktivität 51.
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Die Polarität dieser Spannungen ist nötigenfalls in Fig. 1B durch die
Zeichen + und - bei den betreffenden Elementen angegeben. Fig. 2 zeigt nacheinander
drei Kurven 57, 59 und 61, die den Verlauf der Spannungen V&sub4;&sub3;, VC bzw. V&sub4;&sub1; als
Funktion der Zeit t darstellen.
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Die maximale Energie, die beim Öffnen des Schaltelementes 11 in dem
ersten Kondensator 31 gespeichert wird, ist abhängig von der Ausgangsspannung Vo
und der Energie in der Streuinduktivität 51 des Transformators 13. Sobald die
maximale Energie in dem ersten Kondensator 31 gespeichert ist, wird das zweite
Gleichrichterelement 39 vermeiden, dass die Energie wieder abnimmt. Die Spannung an dem
Verbindungspunkt 43 (siehe die Kurve 57 in Fig. 2) entspricht unmittelbar nach dem
Öffnen des Schaltelementes 11 (zu dem Zeitpunkt t&sub0;) der Summe der
Eingangsspannung Vi, dem zu der Primärseite des Transformators 13 transformierten Wert der
Ausgangsspannung nVo und der Spannung ΔV an der Streuinduktivität 51. Nach der
Entmagnetisierungsphase (Zeitpunkt t&sub1;) hat diese Spannung auf Vi + nVo abgenommen
und nach der Übertragung der in der ersten Spule 9 vorhandenen Energie an die Last
27 (Zeitpunkt t&sub2;) hat V&sub4;&sub3; weiter zu Vi abgenommen. Nach dem Scheitelpunkt
(Zeitpunkt t&sub3;) wird das Schaltelement 11 wieder geschlossen und V&sub4;&sub3; sinkt auf Null. Die
Spannung an dem Verbindungspunkt 41 entspricht höchstens dem Wert Vi - Vx, denn
sobald diese Spannung höher wird, wird das zweite Gleichrichterelement 39 leitend
(siehe die Kurve 61 in Fig. 2). Die Spannung VC an dem ersten Kondensator 31 wird
also zu dem Zeitpunkt t&sub0; gleich V&sub4;&sub3; - V&sub4;&sub1; = Vi - Vx (siehe die Kurve 59 in Fig. 2). Die
Spannung an dem ersten Kondensator 31 ist nach wie vor konstant, bis dieser
Kondensator sich entladen kann. Dadurch werden die Spannungssprünge an dem
Verbindungspunkt 43 auch Spannungssprünge an dem Punkt 41 verursachen. Sobald die
Spannung an dem Punkt 41 negativ wird, wird das erste Gleichrichterelement 37
leitend werden. Es entsteht, je nach der Phase, in der die Schaltungsanordnung sich
befindet, ein Schwingkreis mit wenigstens dem ersten Kondensator 31 und der zweiten
Spule 35. Dabei wird während der Entmagnetisierungsphase (bis t&sub1;) Energie im Voraus
geliefert zu dem Ausgang und während der Entmagnetisierungsphase und der Totzeit
(bis t&sub3;) Energie zu dem Eingang zurückgeliefert. Wenn nicht kontinuierlich gearbeitet
wird und nach t&sub2; eine Totzeit auftritt bis zu dem Zeitpunkt t&sub2; das Schaltelement 11
geschlossen wird, ist die Spannung am Schaltelement unmittelbar vor dem Schluß gleich
Vi. Dies ist die in Fig. 2 dargestellte Situation. Es ist auch möglich, kontinuierlich zu
arbeiten und das Schaltelement 11 kurz nach der Entmagnetisierung zu schließen, also
zwischen t&sub1; und t&sub2;. In dem Fall ist V&sub4;&sub3; unmittelbar vor der Schließung gleich Vi + nVo.
Auf jeden Fall ist V&sub4;&sub3; also unmittelbar vor der Schließung des Schaltelementes 11
wenigstens gleich Vi. V&sub4;&sub1; ist höchstens gleich Vi - Vx, also die Spannung an dem ersten
Kondensator 31 entspricht wenigstens dem nachfolgenden Wert:
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VC = V&sub4;&sub3; - V&sub4;&sub1; = Vi - (Vi - Vx) = Vx (1)
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Nach der Schließung des Schaltelementes 11 wird die Spannung an dem ersten
Kondensator 31 sich umpolen. Das bedeutet, dass die Spannung an dem ersten
Kondensator 31 beim Öffnen des Schaltelementes 11 dem Wert -Vx entspricht. Der
Spannungssprung, der nun an dem Schaltelement 11 auftritt, entspricht dem folgenden Wert:
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V&sub4;&sub3; = V&sub4;&sub1; + VC = Vi - Vx + Vc = Vi - 2Vx (2)
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Aus (2) folgt, dass die Spannung an dem Schaltelement 11 dem Wert Null
entsprechend gemacht werden kann, indem Vx, entsprechend 1/2 Vi gewählt wird. Dadurch, dass
ein Teil des Stromes Ip in der ersten Spule 9 nach dem Öffnen des Schaltelementes 11
in erster Instanz über den ersten Kondensator 31 fließt, wird die Spannung VT am
Schaltelement 11 nur relativ langsam zunehmen, während der Strom IT durch das
Schaltelement relativ schnell abnimmt. Dabei ist es günstig, wenn die Spannung an
dem Schaltelement 11 bei Null anfängt, wie nun anhand der Fig. 3 erläutert wird.
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Fig. 3 zeigt für drei Fälle den Verlauf des Stromes IT und der Spannung
VT unmittelbar nach Öffnung des Schaltelementes 11, wobei t = 0 dem Zeitpunkt der
Öffnung entspricht. Fig. 3A zeigt die Situation, in der keine Entlastungsschaltung 29
vorhanden ist. In dem Fall nimmt VT unmittelbar nacht er Öffnung des
Schaltelementes 11 sehr schnell zu, während der Strom IT gerade angefangen hat, abzunehmen.
Während der Zeit, dass der Strom und die Spannung beide größer als Null sind, wird
in dem Schaltelement 11 Energie dissipiert. Die Menge dissipierter Energie ist zu der
schraffierten Oberfläche in der Figur proportional. Fig. 3B zeigt die Situation, die
entsteht, wenn eine Entlastungsschaltung 29 vorhanden ist, aber wenn die
Hilfsspannungsquelle 55 fehlt, wie in der bekannten Schaltungsanordnung, oder einen
wesentlich kleineren Wert hat als 1/2 Vi. VT steigt nun von t = 0 wesentlich langsamer als in Fig.
3A infolge der Tatsache, dass der Strom Ip teilweise zu dem ersten Kondensator 31
abfließt. VT macht jedoch beim Abschalten einen Sprung, dessen Größe in Fig. 3B
durch V&sub0; angegeben ist. Aus (2) stellt es sich heraus, dass dieser Sprung maximal dem
Wert Vi entsprechend sein kann. Die schraffierte Oberfläche, die ein Maß für die
Energiedissipation ist, ist zwar kleiner als in Fig. 3A, es ist aber noch nicht optimal. Fig.
3C zeigt die Situation, die erreicht wird in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Der
Sprung V&sub0; ist nun völlig verschwunden und dadurch ist die schraffierte Oberfläche
vernachlässigbar klein geworden.
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In dem in Fig. 1B dargestellten Schaltbild rühren die Eingangsspannung
Vi sowie die Hilfsspannung Vx von Batterien. Dies ist eine gute Lösung für
Energieversorgungsanordnungen, die unabhängig von einem elektrischen Netz arbeiten
müssen. Wenn die Anordnung an ein elektrisches Netz angeschlossen wird, kann den
Eingangsklemmen 1, 3 (Fig. 1A) ein nicht dargestellter) Netzspannungsgleichrichter
angeschlossen werden, wonach die gleichgerichtete Netzspannung durch den
Eingangskondensator 5 abgeflacht wird. Auch in dem Fall ist es möglich, die Hilfsspannung Vx
der Batterie zu entnehmen, aber die in Fig. 1A dargestellte Lösung ist eleganter. Dabei
wird die Hilfsspannungsquelle durch die bereits beschriebene Kombination des
zweiten Kondensators 45, des dritten Gleichrichterelementes 47 und des Abgriffes 49 der
ersten Spule 9 gebildet. Der Abgriff 49 befindet sich etwa halbwegs der ersten Spule 9,
wodurch die Spannung Vx an dem zweiten Kondensator 45 der Hälfte der Spannung Vi
an dem Eingangskondensator 5 entspricht.
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Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Energieversorgungsanordnung, wobei Fig. 4A Fig. 1A entspricht und Fig. 4B
entsprechend Fig. 1B ein Prinzipschaltbild zeigt. Gleiche Elemente sind mit demselben
Bezugszeichen angegeben. In dem Prinzipschaltbild nach Fig. 4B befindet sich die
Hilfsspannungsquelle 55 zwischen der negativen Klemme der Spiesebatterie 53 und der
zweiten Spule 35. Entsprechend der Situation bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist
die Spannung an dem Verbindungspunkt 43 in dem geschlossenen Zustand des
Schal
telementes 11 wieder wenigstens gleich Vi. Die Spannung an dem Verbindungspunkt
41 ist nun jedoch höchstens gleich Vi, weil bei einer höheren Spannung das zweite
Gleichrichterelement 39 leitend wird. Dies bedeutet, dass unmittelbar vor der
Schließung des Schaltelementes 11 die Spannung VC dem Wert 0V entspricht oder kleiner ist
als dieser Wert. Sobald das Schaltelement 11 geschlossen wird, geht V&sub4;&sub3; nach 0V. Da
VC ≤ 0V ist, ist V&sub4;&sub1; ≤ V&sub4;&sub3;, also wenn das Schaltelement 11 geschlossen wird, ist V&sub4;&sub1; ≥
0V. An der zweiten Spule steht dann also eine Spannung von wenigstens Vx, was
bedeutet, dass zwischen der zweiten Spule und dem ersten Kondensator 31 eine
Schwingung mit einer Amplitude auftritt, die dem Wert Vx wenigstens entspricht. Die
Spannung an dem Verbindungspunkt 41 wird dadurch von 0V bis wenigsten 2Vx ansteigen.
Dies bedeutet, dass der Spannungssprung an dem Schaltelement wieder Vi - 2Vx
betragen wird. Wenn der Wert von Vx dem Wert 1/2Vi entspricht, ist die Spannung an dem
Schaltelement 11 beim Abschalten also wieder gleich Null. Der Effekt ist also derselbe
wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
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In dem in Fig. 4B dargestellten Ausführungsbeispiel wird die
Hilfsspannungsquelle 55, ebenso wie in Fig. 1B durch eine Batterie gebildet. Fig. 4A zeigt
einen Schaltplan einer praktischen Ausführungsform, in der die Hilfsspannungsquelle
eine zwischen der negativen Eingangsklemme 3 und der zweiten Spule 35 vorgesehene
dritte Spule 65 aufweist. Die dritte Spule 65 ist mit der ersten Spule 9 beispielsweise
dadurch magnetisch gekoppelt, dass die beiden Spulen auf demselben
weichmagnetischen Kern gewickelt sind. Dieser Kern kann beispielsweise durch den Kern des
Transformators gebildet sein. Die Kopplung zwischen der dritten Spule 65 und der
ersten Spule 9 ist derart gewählt worden, dass ein Spannungsimpuls in der ersten Spule
mit einer bestimmten Polarität gegenüber den Eingangsklemmen 1,3 einen
Spannungsimpuls mit derselben Polarität in der dritten Spule indiziert. Dies ist in Fig. 4A
auf herkömmliche Weise bei den genannten Spulen gestrichelt angegeben. Auf
dieselbe Art und Weise ist die Polarität eines in der sekundären Spule 15 des Transformators
13 induzierten Spannungsimpulses angegeben. Die Anzahl Windungen der dritten
Spule 65 beträgt etwa die Hälfte der Anzahl Windungen der ersten Spule 9, so dass der
Wert der in der dritten Spule induzierten Spannung etwa die Hälfte des Wertes der
Eingangsspannung ist.
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In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die
Hilfsspannungsquelle an einem der beiden Enden der zweiten Reihenschaltung 33 vorgesehen. Dies
ist schalttechnisch die einfachste Lösung. Es ist jedoch auch möglich, die
Hilfsspannungsquelle an einer anderen Stelle in der zweiten Reihenschaltung 33 anzuordnen.