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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung kurzer
Spannungs- und Stromimpulse,
vorzugsweise von hoher Leistung. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung kurzer
Spannungs- und Stromimpulse mit variabler und schneller Dosierung
der abzugebenden Energiemenge.
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Zur
Erzeugung von elektrischen Stromimpulsen mit einer Pulsbreite in
der Größenordnung
von Millisekunden bis Mikrosekunden, wie sie gemäß dem Erfindungsgegenstand
bevorzugt erzeugt werden sollen, kommen im Stand der Technik ausschließlich nur
kurzzeitig entladbare Energiespeicher in Betracht, insbesondere
Kondensatoren und Spulen. Diese werden mittels geeigneter Stromquellen
vergleichsweise langsam, beispielsweise innerhalb weniger Sekunden
oder Minuten, auf eine bestimmte Energie aufgeladen und dann zum
gewünschten
Zeitpunkt über
ein geeignetes Netzwerk mit der zu beaufschlagenden Last verbunden.
Ein Beispiel für
eine gattungsgemäße Vorrichtung
ist eine dem Fachmann bekannte Kondensatorbatterie, die eine Parallelschaltung
mehrere Kondensatoren bekannter Kapazität umfasst.
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Die
in die Last einzuspeisende Energie kann jedoch nicht variabel und
rasch dosiert werden, etwa in Anpassung an konkrete Situationen,
wie beispielsweise der gesteuerte Betrieb einer aktiven elektromagnetischen
Schutzeinrichtung in wehrtechnischen Applikationen, wo die Geschwindigkeit
und/oder Richtung durch Dosierung der abzugebenden Energiemenge
möglich
ist. Die bereitzustellende Energie wird vielmehr vor der eigentlichen
Nutzung durch die Dimensionierung fest vorgegeben oder voreingestellt,
etwa in der bekannten Kondensatorbatterie. Ist die Energie einmal
gespeichert, so kann sie im Stand der Technik nur durch relativ aufwändige Maßnahmen
geändert
werden, beispielsweise durch zeitaufwändiges Umladen der verwendeten Energiespeicher.
Bei dieser Vorgehensweise bleiben jedoch zwangsläufig alle Impedanzverhältnisse
des Pulsstromgenerators konstant, was je nach Anwendungsfall und
gewünschtem
Impulsverlauf nicht generell als Vorteil zu werten ist.
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So
zeigt beispielsweise die Patentschrift
DD 56305 A1 eine Schaltungsanordnung zur
Erzeugung j von elektrischen Impulsen durch periodische Entladung
eines über
eine Drosselspule an einer Gleichstromquelle liegenden Kondensators,
wobei als Schaltmittel zur Entladung des Kondensators auf den Entladekreis
Thyristoren verwendet werden, zwischen der Gleichstromquelle und
dem Entladekreis Teilkondensatoren mit jedem Teilkondensator vorgeschalteter
Drosselspule oder mit einer allen Teilkondensatoren gemeinsam vorgeschalteten
Drosselspule und jedem Teilkondensator vorgeschalteten Sperrventil
angeordnet sind, und den Thyristoren eine Steuereinrichtung zugeordnet
ist sowie eine die Steuereinrichtung beeinflussende Messeinrichtung parallel
zu dem Entladekreis geschaltet ist.
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Die
Druckschrift
EP 0 474
534 A1 offenbart eine Schaltung mit einer einstellbaren
Zeitkonstante sowie eine Verzögerungsschaltung,
die die Schaltung mit einstellbarer Zeitkonstante verwendet. Die
Schaltung mit einstellbarer Zeitkonstante weist mehrere Übertragungsgatter
auf, deren Ausgänge
miteinander verbunden sind, wobei die Übertragungsgatter durch Steuersignale,
die von einem Einstellwert abhängen,
wahlweise aktiviert werden und jedes Übertragungsgatter mittels wenigstens
eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate verwirklicht ist,
dessen Drain-Source-Pfad das Widerstandselement des Gatters bildet
und dessen Gate die Steuersignale empfangt, und jedes Übertragungsgatter
einer Hilfsschaltung zur Kompensation zugeordnet ist, die, wenn
sie aktiviert ist, eine Kapazität
mit demselben Wert wie die Kapazität des Gatters im leitenden
Zustand einführt.
Weiterhin enthält
die Schaltung Steuermittel, um die Hilfsschaltung zu aktivieren,
wenn das zugehörige
Gatter deaktiviert ist, und umgekehrt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Erzeugung kurzer Spannungs- und Stromimpulse zu schaffen, womit
eine variable und schnelle Dosierung der abzugebenden Energiemenge
in einfacher Weise möglich
ist. Insbesondere soll die abzugebende Energiemenge auch mit bekannter
Auflösung
vorgebbar sein.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie durch
ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 18. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Spannungs
und Stromimpulse eine Mehrzahl von Energiespeicherelementen, die
mit einer elektrischen Energiequelle verbindbar sind, um elektrische
Energie zu speichern, und eine Mehrzahl von Schaltmitteln, die einem
jeweiligen Energiespeicherelement zugeordnet sind und deren Schaltzustand
vorgebbar ist. Erfindungsgemäß sind die
Energiespeicherelemente nicht identisch ausgebildet, sondern unterscheiden
sich hinsichtlich der von ihnen unter identischen Bedingungen, beispielsweise
konstanter Ladestrom bzw. Ladespannung, maximal speicherbaren Energiemenge.
Erfindungsgemäß sind die
Energiespeicherelemente so ausgelegt, dass die von diesen jeweils speicherbare
Energiemenge fortlaufend im Verhältnis
einer Basis eines verwendeten Zahlensystems abgestuft ist. Beträgt also
die Basis des verwendeten Zahlensystems x, so kann ein erste Energiespeicherelement
ein x-faches einer Energiemenge speichern, ein zweites Energiespeicherelement
ein x1-faches der Energiemenge, ein drittes
Energiespeicherelement ein x2-faches der
Energiemenge, usw. Erfindungsgemäß sind außerdem die
Schaltmittel selektiv ansteuerbar, um durch Betätigen des Schaltmittels die
in dem jeweiligen Energiespeicherelement gespeicherte Energie an
die Last abzugeben. Vorteilhaft ist, dass erfindungsgemäß eine Quantisierung
der an die Last abzugebenden Energiemenge in einfacher Weise möglich wird.
Denn die abzugebende Energiemenge kann analog zur Darstellung einer
Zahl in einem Zahlensystem dargestellt werden. Die kleinste von
einem einzelnen Energiespeicherelement speicherbare Energiemenge
entspricht dabei der Basiszahl des verwendeten Zahlensystems multipliziert
mit der minimal speicherbaren Energiemenge. Bekanntermaßen lässt sich
durch geeignete Verknüpfung
von Potenzen der Basiszahl in dem verwendeten Zahlensystem eine
beliebige Ganzzahl darstellen. In ähnlicher Weise lässt sich
erfindungsgemäß die abzugebende
Energiemenge durch einen Zahlenwert kodieren, der sich in einfacher
Weise mittels bekannter Logikschaltungen generieren lässt. Dies
ermöglicht
die Verwendung von Standardlogikschaltungen zur variablen Dosierung
der abzugebenden Energiemenge. Da Logikschaltungen zur Kodierung,
Dekodierung und logischen Verknüpfung
sehr schnell operieren, kann erfindungsgemäß die abzugebende Energiemenge
rasch und variabel dosiert werden.
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Ganz
besonders bevorzugt wird zur Kodierung der abzugebenden Energiemenge
ein Binärsystem verwendet,
stehen also die von den Energiespeicherelementen jeweils speicherbaren
Energiemengen in einem Verhältnis
zueinander, das der Basis des Binärsystems entspricht, stehen
also in einem Verhältnis
von jeweils 2 zueinander. Vorteilhaft ist, dass somit binäre Logikschaltungen
und digitale Rechenschaltungen, die auf einem Binärsystem
beruhen, verwendet werden können,
die als Standardkomponenten kommerziell erhältlich sind.
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Bevorzugt
ist ein Steuermittel, beispielsweise eine schnell operierende Ansteuerelektronik,
vorgesehen, um ausgewählte
Schaltmittel im Wesentlichen gleichzeitig anzusteuern, beispielsweise
im Wesentlichen nur begrenzt durch Toleranzen der Ansteuerelektronik,
Laufzeitdifferenzen etc. Dies ermöglicht die gleichzeitige Abgabe
der gesamten Energie, die in den durch selektive Ansteuerung vorgegebenen
einzelnen Energiespeicherelementen gespeichert ist. Bevorzugt wird
das Steuermittel von einem gemeinsamen Zündimpuls angesteuert, so dass
beispielsweise Laufzeitdifferenzen eine zu vernachlässigende
Rolle spielen und Ungenauigkeiten im Zeitpunkt der Energieabgabe
nur durch Toleranzen des Steuermittels selbst sowie der zur selektiven
Ansteuerung der einzelnen Energiespeicherelemente verwendeten Schaltmittel
bestimmt sind.
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Bevorzugt
wird das Steuermittel durch eine Logikschaltung, insbesondere eine
mit binärer
Logik arbeitende Logikschaltung, angesteuert, so dass mittels der
Logikschaltung in bekannter Weise ein Zahlenwert in dem verwendeten
Zahlensystem vorgegeben werden kann, der die abzugebende Energiemenge
eindeutig kodiert. Die Logikschaltung umfasst bevorzugt kombinatorische
und sequenzielle Schaltungen, die sich aus Elementarschaltungen
zusammensetzen bzw. auf diese zurückgeführt werden können, die
eine höhere
funktionelle Selbstständigkeit
besitzen und beispielsweise als integrierte MSI- oder LSI- oder VLSI-Funktionsgruppen zum
Aufbau kompletter Schaltungen geeignet sind. Somit kann auf die
vielfältigen
Möglichkeiten
komplexer Digitalschaltungen zur Kodierung, Dekodierung und Manipulation
von Zahlen zurückgegriffen
werden und auch Standardschaltkreise, beispielsweise Standard-Binärlogikschaltungen,
verwendet werden. Die Logikschaltung kann beispielsweise bistabile
Kippglieder umfassen und als übliche
Torschaltung aus einer geeigneten Kombination von logischen Gattern
aufgebaut sein.
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Der
Logikschaltung kann auch ein komplementäres Steuermittel zugeordnet
sein, das ausgelegt ist, um einen Komplementwert des zur Kodierung
der abzugebenden Energiemenge vorgebbaren Zahlenwerts zu erzeugen.
Das komplementäre
Steuermittel wird zur Ansteuerung der Logikschaltung und/oder des
Steuermittels verwendet, wenn beispielsweise die Schalteigenschaften
der zum Schalten und selektiven Ansteuern einzelner Energiespeicherelemente
verwendeten Schaltmittel eine komplementäre Logik zur Darstellung des
kodierenden Zahlenwerts erfordern.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
sind die Energiespeicherelemente kapazitive Energiespeicher bzw.
Kondensatoren, die von der Energiequelle auf eine bestimmte Spannung
aufgeladen werden. Erfindungsgemäß sind die
Speicherkondensatoren parallel geschaltet und sind deren Kapazitäten fortlaufend
im Verhältnis
der Basis des verwendeten Zahlensystems, insbesondere eines Binärsystems,
abgestuft. Zum gewünschten
Zeitpunkt werden die Speicherkondensatoren über schließende Schalter mit der Last
verbunden, die im Wesentlichen gleichzeitig geschlossen werden.
Bevorzugt werden sämtliche
der Speicherkondensatoren gleichzeitig aufgeladen, zu welchem Zweck
ein gemeinsames Schaltmittel zwischen die Parallelschaltung der Speicherkondensatoren
und die Energiequelle geschaltet ist. Geeignete Maßnahmen
zur Entkoppelung der Speicherkondensatoren können vorgesehen sein, beispielsweise
Dioden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind die Energiespeicherelemente induktive Energiespeicher bzw.
Induktivitäten,
beispielsweise normal- oder supraleitende Spulen, die zunächst von
einem konstanten Strom durchflossen werden, wobei mittels geeigneter Hilfsschaltungen,
beispielsweise durch öffnende
Schalter, die in diesen gespeicherte Energiemenge zur Energieabgabe
in die Last kommutiert wird. Erfindungsgemäß sind die Induktivitäten der
induktiven Energiespeicher fortlaufend im Verhältnis der Basis des verwendeten
Zahlsystems abgestuft und sind die induktiven Energiespeicher in
Reihe geschaltet. Zur gemeinsamen Energieabgabe der in den jeweiligen
induktiven Energiespeichern gespeicherten Energie sind die ersten
Schaltmittel als öffnende
Schalter ausgebildet. Vorteilhaft ist, dass die Energiedichte induktiver
Energiespeicher, insbesondere von supraleitenden Spulen, sehr viel
größer ist
als die von Kondensatoren, so dass sich ein vorteilhaft geringes
Volumen der Schaltung ergibt.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Erzeugung kurzer Spannungs- und Stromimpulse, bei welchem Verfahren
eine Mehrzahl von Energiespeicherelementen bereitgestellt wird,
um mit einer Energiequelle verbunden zu werden, um jeweils elektrische
Energie zu speichern, und die jeweils gespeicherte Energie durch
Ansteuern von Schaltmitteln an eine Last angelegt wird. Erfindungsgemäß werden
die Energiespeicherelemente so bereitgestellt, dass die von diesen
jeweils speicherbare Energiemenge fortlaufend im Verhältnis einer
Basis eines Zahlensystems, insbesondere eines Binärsystems,
abgestuft ist. Ferner können
die zur Verbindung der Energiespeicherelemente mit der Last verwendeten Schaltmittel
selektiv angesteuert werden, um die Energie, die in den so ausgewählten Energiespeicherelementen
gespeichert ist, an die Last abzugeben.
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In
dem verwendeten Zahlensystem kann in einfacher Weise ein kodierter
Zahlenwert vorgegeben werden, der dazu verwendet wird, um die Schaltmittel
selektiv anzusteuern, so dass die an die Last abgegebene Energie
mit Hilfe des kodierten Zahlenwerts quantisiert wird. Bevorzugt
werden die Schaltmittel im Wesentlichen gleichzeitig von einem gemeinsamen
Zündimpuls
angesteuert.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Figuren beschrieben werden, worin:
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1a schematisch
eine Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Spannungs- und Stromimpulse
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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1b eine
erste Modifikation der in 1a gezeigten
ersten Ausführungsform
zeigt;
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1c eine
weitere Modifikation der in 1a gezeigten
ersten Ausführungsform
zeigt;
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2 eine
Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Spannungs- und Stromimpulse gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 den
Einfluss der an die Last angeschalteten Kapazität auf den zeitlichen Verlauf
des Stroms sowie die relative Lage der erreichbaren Maximalwerte
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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4 tabellarisch
wichtige Eigenschaften der ersten und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zusammenfasst.
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In
den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder
gleichwirkende Elemente und Funktionsgruppen.
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Die 1a zeigt
einen modularen Pulsstromgenerator gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Zur Anwendung kommen dabei kapazitive
Energiespeicher, die parallel geschaltet sind. Der Kondensatortyp
wird je nach Anwendung im Hinblick auf die minimale und maximale
Kapazität
gewählt. Verwendung
finden insbesondere Kondensatoren mit Scheibenkeramik, mit metallisierten
Polypropylen-Folien oder Elektrolytkondensatoren. Die Kapazitäten der
Kondensatoren 4 sind verschieden und sind fortlaufend im Verhältnis der
Basis eines Binärsystems,
das heißt
im Verhältnis 2,
zueinander abgestuft. Die kleinste Kapazität beträgt C = 2°C, die nächstgrößere Kapazität beträgt 2C =
21C, die nächstgrößere Kapazität beträgt 4C = 22C, ..., die größte Kapazität beträgt 2n-1C.
Die in 1a gezeigte Abstufung der Kapazitäten der
Kondensatoren 4 ermöglicht
eine binäre
Quantisierung der an die Last 6 abzugebenden Energiemenge.
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Die
Kondensatoren 4 der Reihenschaltung sind jeweils über Öffnungsschalter 3 und
einen gemeinsamen Lade- bzw. Begrenzungswiderstand 2 mit
der als Energiequelle dienenden Gleichspannungsquelle 1 verbunden.
Zum Anlegen der Kondensatoren 4 an die schematisch als
kapazitive und/oder induktive Last dargestellte Last 6 dienen
schließende
Schaltkomponenten 5, in dem dargestellten Beispiel Thyristoren,
die sich bekanntermaßen
durch kurze Schaltzeiten auszeichnen. Die Thyristoren 5 werden
von einer gemeinsamen Ansteuerelektronik 8 angesteuert.
Zum selektiven Ansteuern einzelner Thyristoren und damit auch einzelner Speicherkondensatoren 4 dient
die schematisch dargestellte Torschaltung 9, die eine geeignete
Verknüpfung von
logischen Bauelementen umfasst und in der dargestellten Schaltung
aus einfachen UND-Gattern 9 besteht. Die Torschaltungen 9 werden
von einem gemeinsamen Zündimpuls
angesteuert.
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Zur
Vorgabe der von der Schaltung abzugebenden Energie dient eine nicht
dargestellte Dekodierschaltung, die beispielsweise Analog-zu-Digital-Wandler
umfassen kann, so dass die Torschaltungen 9 in Entsprechung
zu dem in dem System kodierten Zahlenwert aktiviert werden. Somit
werden mit Hilfe eines gemeinsamen Zündimpulses nur diejenigen Speicherkondensatoren 4 mit
der Last 6 verbunden, die von der nicht dargestellten Logikschaltung
selektiert werden. Auf Grund der binären Abstufung der Kapazitäten der
Speicherkondensatoren 4 kann die Gesamtenergie, die von
der Reihenschaltung von Speicherkondensatoren 4 an die Last 6 abgegeben
werden soll, binär
kodiert werden. Die Logikschaltung kann deshalb von einem Computer oder
einer Standard-Digitalschaltung angesteuert werden. Die Schaltung
bzw. der Computer gibt einen binär quantisierten
Zahlenwert vor, der in eine binäre
Darstellung der Kapazitäten
C, 2C, ..., 2n-1C übersetzt wird.
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Die
in der 1a gezeigte Schaltung wird wie
folgt betrieben: Zunächst
werden sämtliche
Kondensatoren 4 von der Gleichspannungsquelle 1 über den
Lade- bzw. Begrenzungswiderstand 2 auf eine bestimmte, für alle Kondensatoren
gleiche Spannung U0 aufgeladen. Der Ladezustand
der Kondensatoren 4 nähert
sich exponentiell einem Maximalwert an. Die Ladedauer ist an die
Zeitkonstante der RC-Schaltung angepasst, so dass die Kondensatoren 4 nahezu
vollständig
aufgeladen werden, beispielsweise auf zumindest 90%, bevorzugter
zumindest 92% und noch bevorzugter zumindest 95% der maximalen Speicherkapazität. Während des Ladevorgangs
sind die Öffnungsschalter 4 geschlossen.
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Zum
Zündzeitpunkt
ti werden zunächst alle Öffnungsschalter 3 betätigt und
so die Kondensatoren 4 von der Gleichspannungsquelle 1 getrennt.
In unmittelbarem zeitlichem Zusammenhang werden dann selektiv einer
oder mehrere der Kondensatoren 4 über Thyristoren 5,
die von der Ansteuerelektronik 8 und der Torschaltung 9 ausgewählt werden,
mit der Last 6 verbunden, um den Entladestrom einzuleiten.
Die Thyristoren 5 werden von einem gemeinsamen Zündimpuls
gezündet.
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Bekanntermaßen liegen
die Impulslaufzeiten bei kommerziell erhältlichen Torschaltungen, beispielsweise
UND-Gattern, in der Größenordnung
von nur wenigen Nanosekunden. Ferner lassen sich heutige Hochleistungsthyristoren
mit einem Jitter (Triggerungenauigkeit) von beispielsweise nur ± 20 ns
zünden.
Durch die erfindungsgemäße Schaltung
lässt sich
somit eine variable Energiemenge innerhalb einer Zeitspanne von deutlich
unter 100 ns schalten. Die kleinste zu schaltende Energiemenge bestimmt
sich aus dem durch die Abstufung der Kondensatoren 4 vorgegebenen
Stufungsgrad, wird also durch die Bitanzahl der die abzugebende Energiemenge
kodierenden Zahl vorgegeben.
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Die
in 1a schematisch dargestellte Schaltung eignet sich
bevorzugt zur Speisung induktiver Lasten mit nur geringen resistiven
Komponenten. Um ein Überschwingen
des Entladestroms zu verhindern, können entsprechende Kondensatoren,
rückwärts leitende
Thyristoren etc. in der Schaltung vorgesehen sein. Es können auch
rückwärts sperrende
Thyristoren verwendet werden, so dass nur eine Stromhalbwelle erzeugt werden
kann. Soll dies vermieden werden, so sind zusätzliche Dioden antiparallel
zu den Thyristoren vorzusehen.
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Wie
in der 1a dargestellt, kann auch eine
Crowbar-Diode 7 parallel zu der Last 6 geschaltet
sein, die den Ausgang bei Überschreiten
einer durch die Diode bestimmten Maximalspannung kurzschließt. Dies bietet
weitere Vorteile, denn einerseits lassen sich dann nicht überschwingfeste
Kondensatoren als Speicherkondensatoren 4 verwenden, deren
Volumen bei gleichem Energieinhalt wesentlich geringer ist. Zum
anderen können
auch rückwärts leitende
und sperrende Thyristoren gleichermaßen verwendet werden. Außerdem bietet
der auf diese Weise erzeugte einseitige Stromimpuls in vielen Anwendungsfällen, wie
sie nachfolgend noch beschrieben werden, weitere Vorteile.
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Die
in der
1a gezeigte Grundschaltung verwendet öffnende
Schalter
3. Diese können
beispielsweise durch elektromechanische Bauteile, beispielsweise
Relais, realisiert werden, die allerdings auf Grund ihrer Trägheit hinreichend
lange vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt
t
i betätigt
werden müssen.
Zur Erzielung schnellerer Schaltzeiten können grundsätzlich auch andere Öffnungsschalter
verwendet werden, beispielsweise Thyristoren, die sich bekanntermaßen auch
als Öffnungsschalter
betreiben lassen. Öffnungsschalter
der vorbezeichneten Art sind aus den nachfolgenden Publiklationen
der Anmelderin, deren Offenbarungsgehalt hiermit im Wege der Bezugnahme
ausdrücklich
mit beinhaltet sei, bekannt: PU 347/2000 „Untersuchung eines Öffnungsschalters,
der auf dem Gegenstromprinzip basiert” von E. Spahn et al., RT 502/2000 „Untersuchung eines
Thyristor-Öffnungsschalters
nach dem Gegenstromprinzip”,
V. Brommer et al., RV 201/2002 „Konvertierende Pulsed-Power-Netzwerke
zur Beaufschlagung einer Last mit einem hohen Stromimpuls nach dem
Gegenstromprinzip”,
E. Spahn et al.. Außerdem
ist das vorstehende Prinzip auch aus der
DE 100 45 838 bekannt, deren Offenbarungsgehalt
hiermit im Wege der Bezugnahme ausdrücklich mit beinhaltet sei.
Die vorgenannte Vorgehensweise kann jedoch häufig nur relativ aufwändig realisiert
werden. Deshalb zeigen die
1b und
1c Varianten
der ersten Ausführungsform,
die einfacher zu realisieren sind.
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Bei
der Variante gemäß der 1b ist
ein gemeinsamer Öffnungsschalter 10 zwischen
die Parallelschaltung von Kondensatoren 4 und die Gleichspannungsquelle 1 geschaltet.
Der Öffnungsschalter 10 wird zum
Laden der Kondensatoren 4 geschlossen und kurz vor der
Energieabgabe an die Last 6 geöffnet. Die Kondensatoren 4 sind über einfache
Dioden 11 entkoppelt. Der gemeinsame Öffnungsschalter 10 kann
durch einen Kurzschluss ersetzt werden, falls das Nachladen der
Kondensatoren 4 unmittelbar nach der Zündung keinen störenden Einfluss
auf den Stromverlauf in der Last 6 hat oder der Ladevorgang
hinreichend langsam erfolgt, was beispielsweise durch geeignete
Dimensionierung des Ladewiderstands 2 bewerkstelligt werden kann.
Auch in diesem Fall kann die Verwendung der in der 1b gezeigten
Crowbar-Diode 7 in Verbindung mit rückwärts sperrenden Thyristoren 5 von
Vorteil sein.
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Die 1c zeigt
eine weitere Schaltungsvariante der ersten Ausführungsform. Hier erfolgt die
Entkopplung der Speicherkondensator 4 vorzugsweise über Induktivitäten 12,
was möglich
ist, weil die Dauer des Laststromimpulses im Allgemeinen sehr viel
kürzer
als die Ladezeit sein wird und somit eine dynamische Entkopplung
als ausreichend anzusehen ist. Für
den Fall, dass ein Überschwingen
des Laststroms auftreten kann oder gar gewünscht ist, ist zum Schutz der
Gleichspannungsquelle 1 eine weitere Diode 13 vorzusehen.
Alternativ könnten
anstelle der dargestellten Induktivitäten 12 auch relativ
hochohmige Lastwiderstände
eingesetzt werden. Dabei müssen
allerdings zusätzliche
Wärmeverluste
hingenommen werden.
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Die 2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die induktive Energiespeicher verwendet,
beispielsweise normal- oder supraleitende Spulen, deren Induktivität an die
abzugebende minimale und maximale Energiemenge angepasst ist. Die
Schaltung umfasst eine Reihenschaltung von Speicherspulen 22,
deren Induktivitäten
fortlaufend im Verhältnis
der Basis 2 des verwendeten binären Zahlensystems abgestuft
sind. Bezeichnet also L die kleinste Induktivität in der Reihenschaltung von
Speicherspulen 22, so ist die nächstgrößere Induktivität durch
2L, die nächstgrößere Induktivität durch
4L, ... und die größte Induktivität durch
2n-1L gegeben. Durch Schließen des Öffnungsschalters 21 werden
die Speicherspulen 22 mit der Stromquelle 20 verbunden
und aufgeladen.
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Den
Speicherspulen 22 ist jeweils ein Thyristor 23 zugeordnet.
Die Thyristoren 23 können
selektiv von der schematisch dargestellten Ansteuerelektronik 26 ausgewählt werden.
Die Vorgabe der an die Last 24 abzugebenden Energie erfolgt über die
schematisch dargestellte Logikschaltung 27, die in dem
dargestellten Beispiel aus UND-Gattern besteht. Auf Grund der zur
ersten Ausführungsform
dualen Schaltungsarchitektur ist allerdings eine komplementäre Ansteuerung
der Torschaltungen 27 erforderlich, was mit Hilfe der dargestellten Inverter 28 bewerkstelligt
werden kann. Somit werden bei der zweiten Ausführungsform diejenigen Thyristoren 23 in
den leitenden Zustand versetzt, deren zugehöriger Energiespeicher nicht
zur Speisung der Last 24 beitragen soll.
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Wie
in der 2 dargestellt, werden die Thyristoren 23 zum
Zeitpunkt ti von einem gemeinsamen Zündimpuls
gezündet.
Der in den Speicherspulen fließende
konstante Strom wird zum Zündzeitpunkt
in die Last 24 kommutiert.
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Der
Betrieb der in 2 gezeigten Schaltung ist wie
folgt: Durch Schließen
des Öffnungsschalters 21 werden
die in Reihe geschalteten Speicherspulen 22 von der Stromquelle 20 aufgeladen.
Zum Zündzeitpunkt ti werden die Speicherspulen 22 von
der Stromquelle 20 getrennt. Zum Zeitpunkt ti werden
die Thyristoren 23 selektiv von einem gemeinsamen Zündimpuls
gezündet.
Die Thyristoren 23 werden von der Steuerelektronik 26 und
der Logikschaltung 27, 28 vorgegeben. Der Zahlenwert,
der die aus den Einzelinduktivitäten
L, 2L, ..., 2n-1L gebildete Gesamtenergie
kodiert, wird von einer nicht dargestellten Analog-zu-Digital-Schaltung
gewandelt und in die Logikschaltung 27, 28 eingegeben.
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Die
Thyristoren 23 funktionieren als Schließer, so dass zum Zündzeitpunkt
ti der in den jeweils ausgewählten Speicherspulen 22 fließende konstante
Strom gemeinsam in die Last 24 kommutiert wird.
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Um
einen vorzeitigen Stromfluss durch die Last 24 zu unterbinden,
ist mit dieser eine Diode 25 in Reihe und in Sperrrichtung
bezüglich
des Ladestroms geschaltet. Die Schaltungsanordnung bewirkt somit,
dass der im Ladekreis fließende
Strom I0 unmittelbar nach der Zündung in
die Last 24 umgeleitet bzw. kommutiert wird und dort abklingt.
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Die
in der 2 gezeigte Schaltung eignet sich insbesondere
zum Treiben überwiegend
kapazitiver Lasten mit hochohmiger resistiver Komponente.
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Zur
Beaufschlagung überwiegend
resistiver Lasten können
die beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen
alternativ eingesetzt werden.
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Für die Öffnungsschalter 21 sind
schnelle Halbleiterschalter erforderlich. Hierfür kommen vorzugsweise Gate-Turn-Off-Thyristoren
(GTO-Thyristoren) oder Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT-Transistoren)
in Frage oder eine Thyristorschaltung nach dem Gegenstromprinzip.
Weitere Ausführungsformen
sind aus den vorgenannten Publikationen der Anmelderin bekannt,
auf die ausdrücklich
Bezug genommen wird. Je nach geforderter Schaltzeit sind auch Hybridschalter
oder so genannte Schnellschalter mit elektrodynamischem Linearantrieb
möglich.
Zum Schutz gegen extreme Spannungsspitzen zum Zeitpunkt der Kommutierung
und während
der Lastspeisung kann ein entsprechend dimensionierter Widerstand 26 oder
eine Snubber-Schaltung (RC-Kombination) parallel zur Stromquelle 20 geschaltet
sein.
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Den
vorstehend beschriebenen Schaltungsvarianten ist somit gemeinsam,
dass die Vorgabe der abzugebenden Energiemenge auf elektronischem
Wege in Form binärer
Größen erfolgen
kann. Hierfür
können Standard-Digitalschaltungen
verwendet werden. Für
den Fall, dass eine analoge Stellgröße verfügbar ist, können bekannte Analog-zu-Digital-Wandler vorgeschaltet
werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung
einer binären
Steuerlogik beschränkt,
wenngleich diese auf Grund der vorherrschenden Verwendung des binären Zahlensystems
in Computer und Logikschaltungen bevorzugt wird. Die Erfindung kann grundsätzlich in
jedem anderen geeigneten Zahlensystem ausgeführt werden, beispielsweise
in einem Ternärsystem
(Basis 3) oder Oktalsystem (Basis 8).
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Das
Nachfolgende sind einige grundsätzliche
Ausführungen
zur Dimensionierung der erfindungsgemäßen Schaltung. Hierbei wird
zunächst
das Konzept der Verwendung kapazitiver Energiespeicher gemäß der ersten
Ausführungsform
zu Grunde gelegt.
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Gemäß den
1a–c ist die
kleinste dosierbare Energiemenge durch die kleinste Kapazität in der
Parallelschaltung von Speicherkondensatoren
4 vorgegeben
und ist bekanntermaßen
gegeben durch:
wobei
U
0 die Ladespannung und C die Kapazität des Speicherkondensators
4 darstellt.
Sind insgesamt n Speicherkondensatoren vorhanden und liegt eine
Staffelung bzw. Abstufung der Kapazitäten entsprechend den Verhältnissen
1:2:4...2
n-1 vor, so kann die maximal speicherbare
Energie angegeben werden in der Form
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Die
in die Last einzuspeisende Energie lässt sich also linear über die
Kapazität
steuern.
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Die
Verwendung kapazitiver Energiespeicher wird vorzugsweise dann in
Betracht kommen, wenn die Last zum überwiegenden Teil eine induktive
Komponente besitzt. Außerdem
sind bei allen realen technischen Bauelementen und Zuleitungen stets
auch Ohmsche Anteile vorhanden. Deshalb kann der gesamte Entladekreis
als freier LCR-Schwingkreis betrachtet werden, wobei für alle Impedanzen
innerhalb der interessierenden Zeitspanne näherungsweise deren zeitliche
Mittelwerte einzusetzen sind. Der Entladestrom wird beschrieben durch
die Funktion:
mit der
Kreisfrequenz
und der
Abklingkonstanten
-
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Die
erste Ableitung des Entladestromes liefert dann:
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Hieraus
ergibt sich sofort, dass der unmittelbar nach der Zündung auftretende
Stromgradient bestimmt ist durch
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Dieser
ist also unabhängig
von der Anzahl der zugeschalteten Kondensatoren und damit auch unabhängig von
der einzuspeisenden Energie, sofern diese nicht noch über U0 variiert werden soll. Zugleich handelt es
sich um den maximalen, überhaupt
möglichen
Stromanstieg im Lastkreis insgesamt. Beide Aspekte sind z. B. relevant
bei der Auslegung pulsformender Systeme, beispielsweise für elektrische
Kanonen und andere dynamische Antriebssysteme, bei denen Stromverlauf
und Kinematik aufeinander abgestimmt sein müssen.
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Setzt
man die erste Ableitung des Entladestromes gleich Null, so lässt sich
der Zeitpunkt des ersten Strommaximums ermitteln zu:
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Für das Strommaximum
selbst gilt dann:
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Da
aber
und bei
einer Vielzahl von Anwendung ω >> δ ist,
folgt für
den Spitzenwert des Stromes näherungsweise
wobei
C
act die aus den ausgewählten Kondensatoreinheiten
gebildete, aktive bzw. wirksame Kapazität darstellt.
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Verwendet
man k als Index für
die angewählte
Energiestufe (k = 1, 2, ... 2
n – 1) und
gilt
so lassen sich die einstellbaren
Strommaxima allemein angeben zu
wobei
diese zu den Zeitpunkten
auftreten.
-
Die 3 zeigt
schematisch den Einfluss der an die Last angeschalteten Kapazität Cact auf den zeitlichen Verlauf des Stromes
sowie die relative Lage der erreichbaren Maximalwerte des Stroms.
Für die
zweite Ausführungsform
gilt, dass die in die Last einzuspeisende Energie sich linear über die
Induktivität
steuern lässt.
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Schließlich kann
die im Magnetfeld der Lastinduktivität gespeicherte Energie zum
Zeitpunkt der jeweiligen Strommaxima in erster Näherung, also unter Vernachlässigung
der parasitären
Wirk- und Blindwiderstände,
angegeben werden zu
-
Die
in die Last einzuspeisende Energie lässt sich also linear über die
Kapazität
steuern.
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Wie
man aus
3 entnehmen kann, steigen mit
zunehmender Kapazität
nicht nur die Spitzenwerte der Ströme an, sondern auch die Zeitspannen,
bis diese erreicht werden, was z. B. für einstufige Spulenbeschleuniger
einen gewissen Vorteil bietet. Deren Antriebskraft ist bekanntermaßen proportional
zum Quadrat des induzierenden Stromes, zur Gegeninduktivität zwischen
Induktor und Projektil und zum Gradienten der Gegeninduktivität, also
-
Da
die Gegeninduktivität
M(x) (in sehr guter Näherung)
einer abfallenden e-Funktion folgt, wird offenkundig, dass sich
mit Zunahme von I ^k und t*k das
relativ schnelle Abklingen der Kraft in gewissen Grenzen und über einen
Teil der Beschleunigungsstrecke hinweg kompensieren lässt. Dies
bedeutet, dass höhere
Geschwindigkeiten nicht notwendigerweise auch höhere Anfangsbeschleunigungen
bedingen, sondern vielmehr über
einen etwas länger
andauernden Beschleunigungsvorgang ”eingestellt” werden
können.
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Die
vorstehenden Betrachtungen lassen sich anhand von 2 auch
auf den Pulsstromgenerator mit induktiven Energiespeichern übertragen.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind die für
die beiden dualen Schaltungskonzepte wesentlichen Formeln in 4 in
tabellarischer Form zusammengefasst.
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Besteht
die zu treibende Last zum überwiegenden
Anteil aus einem Wirkwiderstand, so kann eine der beiden Beschaltungsarten
gewählt
werden, wodurch eine flexiblere Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall
und die Verfügbarkeit
der Mittel gegeben ist.
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Da
in der Praxis im Allgemeinen die bereitzustellende Maximalenergie
E
max und die kleinste zu dosierende Energiemenge
E vorgegeben sein wird, können
die Gleichungen für
die maximal abgebbare Energiemenge umgestellt werden, so dass die
Anzahl der erforderlichen Module bestimmt werden kann zu
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Das
erfindungsgemäße Prinzip
unter Berücksichtigung
der aufgezeigten Modifikationen ist grundsätzlich für alle impulsförmig zu
treibenden Lasten geeignet, wie z. B. Schienenbeschleuniger, Spulenbeschleuniger
(Kanonen und aktive Schutzsysteme gleichermaßen), elektrothermische und
elektrothermisch-chemische Kanonen, Mikrowellenwaffen, Laser, insbesondere
aber auch nichtletale Waffen, bei denen die Einspeisung der Energie
dosiert bzw. gesteuert erfolgen soll. Dabei sind die folgenden Aspekte
besonders hervorzuheben:
-
Aktiver Schutz
-
Auf
Grund der schnellen Steuerbarkeit der Energie ergeben sich für elektromagnetische
Schutzeinrichtungen, wie sei seit geraumer Zeit für gepanzerte
Fahrzeuge konzipiert und untersucht werden, völlig neue Möglichkeiten. So lässt sich
z. B. nicht nur die Geschwindigkeit der Schutzelemente vorgeben,
sondern vielmehr auch deren Abwurfrichtung, was bislang nur mittels
zeitversetzt gezündeter
Spulensysteme realisiert werden konnte.
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Nichtletale Waffen
-
Eine
wesentliche Voraussetzung für
die Realisierbarkeit nichtletaler, elektrischer Waffensysteme ist die
schnelle und exakte Vorgabe der Projektil- bzw. Wirkkörpergeschwindigkeit.
Dies erfordert eine entsprechende Dosierung der einzuspeisenden
Energiemenge, da diese vom Abstand zum Zielobjekt bestimmt wird.
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In
Verbindung mit der oben erwähnten
richtungssteuerbaren Schutzeinrichtung erschließt sich somit die Möglichkeit
für ein
autonomes, nichtletales Abschrecksystem (”Nichtletale Anti-Personen-Mine”). Hierbei wird
beispielsweise über
eine geeignete Sensorik die augenblickliche Position einer abzuwehrenden
Person nach Entfernung und Richtung bestimmt. Die Messdaten lassen
sich innerhalb weniger Mikrosekunden aufbereiten und an einen (erfindungsgemäßen) Pulsstromgenerator
weiterleiten, der seinerseits einen zwei- bzw. dreidimensionalen elektromagnetischen
Werfer ansteuert. Da bei dieser (nichtletalen) Anwendung nur sehr geringe
Energiemengen in der Größenordnung
einiger weniger kJ notwendig sind, könnte das gesamte Sensor-, Pulsstrom-
und Werfersystem in einem vergleichsweise geringen Volumen in der
Größe eines
Kanisters untergebracht werden.
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Neben
den bevorzugt wehrtechnischen Anwendungen sind jedoch auch zivile
Applikationen möglich, wie
z. B. im Bereich der
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Medizin:
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Hier
ist eine Steuerung der aufzuwendenden Energie innerhalb kurzer Zeit
i. a. nicht erforderlich, wohl aber eine sehr genaue und fein abgestufte
Dosierung, was sich gemäß der Erfindung
problemlos realisieren lässt.
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Materialbearbeitung
-
Auch
hier kann eine sehr genaue Dosierung der Energie innerhalb kurzer
Zeiten von Vorteil sein, falls eine vom Bearbeitungsvorgang und
-fortschritt abhängige
Energieeinspeisung im Sinne einer schnellen Energieregelung in Echtzeit
(”real-time”) notwendig
wird. Eine entsprechende Betrachtung kann auch für steuer- oder gar regelbare
Systeme der elektrodynamischen Werkstoffprüfung angestellt werden.
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Der
Vollständigkeit
halber sei darauf hingewiesen, dass sich der hier beschriebene Pulsstromgenerator
auch mit einem ”klassischen” Impulsgenerator
fester Energievorgabe kombinieren lässt, so dass ein in einem bestimmten
Bereich sehr feinstufig steuerbarer Generator mit Grundlevel (”biased
energy”)
realisiert werden kann.
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Schlussendlich
bleibt anzumerken, dass sich das erfindungsgemäße Prinzip bereits beim heutigen Stand
der Technik problemlos umsetzen lässt, da alle hierfür erforderlichen
Komponenten handelsüblich
verfügbar
und in der notwendigen Kompaktheit vorhanden sind. Für den Aufbau
der kleinsten Energieeinheit stehen heute bevorzugt Kondensatoren
und Halbleiterschalter für
bis zu 50 kJ zur Verfügung,
jedoch sind für
niederenergetische Anwendungen grundsätzlich beliebig kleine Speichermodule
realisierbar.
und der Abklingkonstanten
wobei Cact die aus den ausgewählten Kondensatoreinheiten gebildete, aktive bzw. wirksame Kapazität darstellt.
wobei diese zu den Zeitpunkten
auftreten.
