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Die
Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zum Erfassen
einer Temperatur und ein Gerät.
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Eine
absolute Temperaturmessung in zumindest eine elektronische Schaltung
enthaltenden Geräten
zur Zustands- und Auslastungsüberwachung, insbesondere
von Leistungsschaltern, wie elektronischen Leistungshalbleiterschaltern
oder dergleichen, wird heute in vielen Geräten angewandt. Insbesondere
bei Steuergeräten
für Elektromotoren
ist eine Temperaturmessung der Endstufenleistungshalbleiter unerlässlich.
Nach der Erfassung ist eine Analog-Digital-Wandlung notwendig. Die
Temperaturinformation wird dann auf der Niederspannungsseite des
Steuergerätes
weiterverarbeitet.
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Wird
die Temperatur mittels Temperatursensor erfasst, müssen die
Vorschriften zur sicheren Trennung nach EN 50178 oder vergleichbaren
Normen eingehalten werden.
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Die
Leistungshalbleiter arbeiten auf einem Hochspannungspotential und
müssen
daher elektrisch isoliert aufgebaut werden. Wegen des dafür notwendigen
und möglichst
kostengünstig
ausgewählten
Isolationsmaterials ist aber der Wärmeübergangswiderstand zwischen
dem Temperatursensor und dem Leistungsschalter hoch. Somit folgt
die Temperatur des Temperatursensors nicht schnell der Temperatur
des Leistungsschalters nach und die Temperatur des Temperatursensors
ist unterschiedlich von der Temperatur des Leistungsschalters.
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Dies
wird beim Stand der Technik durch Einsatz von elektrisch isolierenden
Materialien und einhalten vorgeschriebener Abstände erreicht. Die Isolationsmaterialien
haben alle einen thermischen Widerstand.
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Aus
der
DE 33 16 528 A1 ist
ein Verfahren zur Umwandlung eines Temperaturwertes in eine Aufladezeit
oder Entladezeit bekannt.
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Aus
der
DE 101 26 300
C1 ist ein Verfahren zum Messen einer Temperatur in einem
integrierten Halbleiterbauelement bekannt, wobei die Temperatur als
Funktion einer Phasenverschiebung dargestellt wird.
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Aus
der
EP 0 358 122 A2 ist
ein Temperatursensor mit einer Temperatur-Messwandler-Schaltung bekannt,
die ein der absoluten Temperatur proportionales Spannungssignal
liefert.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Temperaturerfassung
weiterzubilden in einfacher und kostengünstiger Weise.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei Schaltung nach den in Anspruch 1, bei dem Verfahren
nach den in Anspruch 10 und bei dem Gerät nach den in Anspruch 12 angegebenen
Merkmalen gelöst.
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Wesentliche
Merkmale der Erfindung bei der Schaltung zum Erfassen einer Temperatur
sind, dass sie einen Modulator mit einem Temperatursensor umfasst,
wobei zumindest ein Modulationsverhältnis mit der Temperatur des
Temperatursensors veränderbar
ist.
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Von
Vorteil ist dabei, dass eine Analog-Digital-Wandlung auf diese Weise
einsparbar ist und die Frequenz oder Amplitude keinen Einfluss hat
auf die in der Modulation enthaltene Information über die Temperatur.
Von Vorteil ist dabei, dass die Information in einfacher Weise über die
galvanische Trennung übertragbar
ist und sofort auswertbar und für
die Erzeugung von Ansteuersignalen verwendbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist Modulator ein Frequenzmodulator,
Amplitudenmodulator und/oder Pulsweitenmodulator. Von Vorteil ist
dabei, dass das erfindungsgemäße Verfahren
auf verschiedene Weisen realisierbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein temperaturunabhängiger Referenzwert-Geber
von der Schaltung umfasst, wobei die Temperatur-Abweichung von einer
zu diesem Referenzwert gehörenden
Referenztemperatur der Abweichung des Pulsweitenmodulationsverhältnisses
von einem Referenz-Pulsweitenmodulationsverhältnis im Wesentlichen proportional
ist. Insbesondere beträgt
das Referenz-Pulsweitenmodulationsverhältnis 50% zu 50%. Von Vorteil
ist dabei, dass ein besonders einfach und temperaturunempfindliches
Verfahren realisierbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Referenzwert-Geber ein
im Wesentlichen temperaturunabhängiger
Widerstand ist und der Temperatursensor ein PTC oder ein NTC oder
ein Siliziumsensor KTY. Von Vorteil ist dabei, dass einfache und
kostengünstige
Standard-Bauteile verwendbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltung galvanisch getrennt
von einer Steuerelektronik, an welche das pulsweitenmodulierte Signal übertragbar
ist, insbesondere mittels Optokoppler oder Trafo. Von Vorteil ist
dabei, dass einfache und kostengünstige
Mittel verwendbar sind und keine weitere Analog-Digital-Wandlung
notwendig ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Temperatursensor zur Erfassung
der Temperatur von zumindest einem elektronischen Leistungsschalter vorgesehen,
dessen Steuersignale von der Steuerelektronik generiert werden,
wobei die Steuersignale von der Temperatur beeinflussbar sind. Von
Vorteil ist dabei, dass der Leistungsschalter vor Überhitzung schätzbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Modulator zumindest
ein erstes, den Temperatursensor umfassendes Verzögerungsglied
und ein zweites, den Referenzwertgeber umfassendes Verzögerungsglied
oder der Modulator umfasst zumindest ein erstes, den Referenzwertgeber
umfassendes Verzögerungsglied
und ein zweites, den Temperatursensor umfassendes Verzögerungsglied. Von
Vorteil ist dabei, dass als Verzögerungsglied
ein PT1 Glied, also beispielsweise ein RC-Glied, verwendbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung beeinflusst das erste Verzögerungsglied
einen Anstieg der Ausgangsspannung des Modulators und das zweite Verzögerungsglied
ein Abfallen der Ausgangsspannung. Von Vorteil ist dabei, dass die
Geschwindigkeit des Ansteigens von der Temperatur abhängig ist, aber
nicht die Geschwindigkeit des Abfallens.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Ausgangsspannung oder
eine diese beeinflussende Spannung vom Modulator erfasst und bei
Erreichen eines maximalen oder minimalen Spannungswertes das jeweils
andere Verzögerungsglied vom
Modulator wirksam gemacht. Von Vorteil ist dabei, dass die unterschiedlichen
Verzögerungsglieder die
zeitlichen Abstandsdifferenzen von Nulldurchgängen abwechselnd beeinflussen
und somit das je nach Temperatur verschieden Pulsweitenmodulationsverhältnis bestimmen
können.
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Wesentliche
Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass die erfasste
Temperatur-Information
als Modulationsverhältnis übertragen
wird von einem ersten an einen zweiten Bereich. Insbesondere wird
zur Erzeugung der zugehörigen
modulierten Ausgangsspannung
- – der Ausgangsspannungsanstieg
von zumindest einem ersten, den Temperatursensor umfassenden Verzögerungsglied
beeinflusst,
- – das
Abfallen der Ausgangsspannung von zumindest einem zweiten, den Referenzwertgeber umfassenden
Verzögerungsglied
beeinflusst,
- – die
Ausgangsspannung oder eine diese beeinflussende Spannung des Modulators
erfasst und bei Erreichen eines maximalen und/oder minimalen Spannungswertes
das jeweils andere Verzögerungsglied
vom Modulator wirksam gemacht.
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Von
Vorteil ist dabei, dass eine besonders einfache und kostengünstige Weise
zur Umwandlung der Temperaturmesswerte in Pulsweitenmodulationsverhältniswerte
realisierbar ist.
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Wesentliche
Merkmale der Erfindung bei dem Gerät sind, dass es zumindest Elektronik
umfasst, wobei zumindest zwei Bereiche, welche galvanisch voneinander
getrennt ausgeführt
sind, vorgesehen sind, wobei im ersten Bereich ein Mittel zur Temperaturerfassung
vorgesehen ist, wobei die gemessene Information an den zweiten Bereich übertragbar
ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Temperaturerfassung ohne das
Einhalten der Vorschriften zur Sicheren Trennung ausführbar ist.
Somit muss kein elektrisches Isolationsmaterial zwischen Temperatursensor
und Leistungsschalter eingebracht werden. Der Temperatursensor ist
somit direkter, also mit geringerem Wärmeübergangswiderstand mit dem
Leistungsschalter verbindbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der erste Bereich Mittelspannung
und/oder Hochspannung umfasst, der zweite Bereich Niederspannung.
Insbesondere ist die gemessene Information an den zweiten Bereich
mittels Pulsweitenmodulation übertragbar.
Von Vorteil ist dabei, dass auf diese Weise modulierte Signale einfach
und schnell mittels Optokopplern übertragbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung benötigt das Mittel zur Temperaturerfassung
zumindest eine Versorgungsspannung. Insbesondere umfasst der erste
Bereich Leistungsschalter, Leistungshalbleiter oder dergleichen,
die eine Versorgungsspannung benötigen
und es ist die Versorgungsspannung für die Leistungsschalter und
für das
Mittel zur Temperaturerfassung vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass
keine spezielle Versorgungsspannung für die Temperaturerfassung notwendig
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Gerät ein Umrichter, Wechselrichter
und/oder Stromrichter zur Versorgung zumindest eines Elektromotors
oder eines anderen Verbrauchers. Von Vorteil ist dabei, dass wegen
des Verzichts auf die sichere Trennung des Temperatursensors das
Gerät kostengünstiger
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ansteuersignale für zumindest
einen Leistungsschalter vom zweiten zum ersten Bereich über die galvanische
Trennung hinweg übertragbar.
Von Vorteil ist dabei, dass die sichere Trennung gewährleistbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Temperatursensor wärmeleitend
mit mindestens einem Leistungsschalter verbunden. Insbesondere weicht
das elektrische Potential des Temperatursensors vom elektrischen
Potential der Ansteuersignaleingänge
zumindest eines Leistungsschalters weniger als 100 Volt ab. Von
Vorteil ist dabei, dass die sichere Trennung nicht eingehalten ist
und daher auch das Isolationsmaterial einsparbar ist, dessen Wärmekapazität somit
nicht mehr berücksichtigt
werden muss. Daher folgt die gemessene Temperatur der Temperatur
der Leistungsschalter schneller und genauer.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In 1 ist
die Temperaturmesswerterfassung symbolisch gezeigt. Die Schaltung
arbeitet mit einem Temperatursensor RT der
seinen Widerstand in Abhängigkeit
der Temperatur ändert.
Beispielhaft ist ein PTC, NTC, oder ein Siliziumsensor KTY-Sensor
vorteilig verwendbar.
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Die
Schaltung ist als ein einen Temperatursensor umfassender Modulator
ausgebildet und erzeugt ein elektrisches Signal (Schwingung) dessen Tastverhältnis proportional
dem Widerstandsverhältnis
von Sensorswiderstand RT zu einem anderen
Widerstand RRef ist.
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Eine
vorteilig zu wählende
Ausführungsform weist
das Merkmal auf:
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Das
Tastverhältnis
enthält
also die Information über
die Temperatur, wenn der Referenzwiderstand RRef als
Referenzwertgeber temperaturstabil, also mit der Temperatur im Wesentlichen
unveränderlich,
ausgewählt
ist. Amplitude und Frequenz des Signals spielen keine Rolle. Die
Information steckt ausschließlich
im Tastverhältnis.
Dies erlaubt den Einsatz einfacher nicht temperaturkompensierter Bauelemente.
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Nur
für den
Referenzwiderstand RRef ist ein Widerstand
zu wählen,
der möglichst
wenig veränderlich
ist, wenn sich die Temperatur in seiner Umgebung ändert. Dies
ist besonders wichtig, da die Schaltung nach 1 vorteiligerweise
in der Nähe des
Temperaturfühlers
RT platziert wird und daher in einem großen Temperaturbereich
arbeitsfähig
sein muss.
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Statt
des Begriffes „Tastverhältnis" wird bei der vorliegenden
Erfindung als Oberbegriff für
dem Fachmann nahe liegende, analoge, technisch äquivalente oder entsprechende
Ausführungsarten
der Begriff „Pulsweitenmodulationsverhältnis" verwendet. Denn
bei der Erfindung kommt es nur auf das Verhältnis der zeitlichen Abstände der
aufeinanderfolgenden Nulldurchgänge
des Signals an. Das Pulsweitenmodulationsverhältnis ist also durch das Verhältnis zwischen
dem zeitlichen Abstand vom letzten zum vorhergehenden Nulldurchgang
und dem zeitlichen Abstand vom vorhergehenden zum vor-vorhergehenden
Nulldurchgang gegeben. Ob das Signal sinusförmig, rechteckförmig, dreieckförmig oder
mit einer anderen Form verläuft,
ist unbedeutend.
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Bei
der Erfindung kann der Modulator vorteiligerweise mit beliebiger
Frequenz arbeiten. Nur das Modulationsverhältnis muss die Information über die Temperatur
umfassen. Als Modulator ist auch eine Schaltung verwendbar, deren
Frequenz temperaturabhängig
ist. Das Modulationsverhältnis
darf hingegen nur von der zu erfassenden Temperatur abhängen.
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In
der 1 ist weiter verdeutlicht, dass die Schaltung
einen Kondensator C umfasst, an dem eine Spannung UC abfällt. Die
Spannung UC wird erfasst und auf Erreichen
eines oberen und unteren kritischen Spannungswertes, also eines
maximalen und minimalen Spannungswerts, überwacht. Bei Erreichen des
jeweils kritischen Wertes wird statt eines ersten Ladewiderstandes
ein Entladewiderstand wirksam. Im Ladestrompfad ist der Temperatursensor
RT, ein temperaturabhängiger Widerstand, und im Entladestrompfad
ein temperaturstabiler Referenzwiderstand RRef wirksam.
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Auf
diese Weise entsteht ein moduliertes Wechselspannungs-Signal, dessen
Pulsweitenmodulationsverhältnis
von der Temperatur des Temperatursensors abhängt. Auch wenn beispielsweise
die Kapazität
des Kondensators temperaturabhängig wäre und sich
daher die Frequenz ändern
würde, bliebe
doch das Pulsweitenmodulationsverhältnis im Wesentlichen nur von
der Temperatur des Temperatursensors abhängig.
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Wie
in der 1 symbolisch angedeutet, wird bei Unterschreiten
einer Spannung UC1 der Kondensator über RT geladen und beim Überschreiten der Spannung UC2 über
RRef entladen. Die Widerstände können auch
gegeneinander vertauscht werden, was zu einem umgekehrt proportionalen
Tastverhältnis
führt.
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Das
so erzeugte Signal lässt
sich vorteiligerweise über
einen Optokoppler, der die galvanische Trennung übernimmt, übertragen.
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Eine
Analog-Digital-Wandlung ist auf diese Weise einsparbar.
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Statt
der Pulsweitenmodulation sind auch entsprechende Umsetzungen auf
andere Modulationsarten dem Fachmann nahe liegend und klar. Beispielsweise
kann auch ein Frequenzmodulationsverfahren oder ein Amplitudenmodulationsverfahren, wenn
der modulierte Parameter nur von der Temperatur des Temperatursensors
beeinflussbar ist.
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In 2 ist
Gerät gezeigt,
das Elektronik umfasst. Ein erster Bereich umfasst das Leistungsteil 10,
welches an eine Eingangsspannung UE, wie beispielsweise einphasige
oder dreiphasige Netzspannungsversorgung, also Drehstromversorgung,
angeschlossen ist. Dort befinden sich somit Mittelspannung oder
gar Hochspannung führende
Teile. Insbesondere bei beispielhafter Ausführung des Gerätes als
Umrichter können
Zwischenkreisspannungen im Bereich von ungefähr 1000 Volt und mehr auftreten.
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Im
Leistungsteil 10 ist auch zumindest ein elektronischer
Leistungsschalter 9 umfasst, der ein Ansteuersignal S benötigt sowie
eine Versorgungsspannung V. Die Ausgangsspannung UA wird zu versorgenden
Vorrichtungen zur Verfügung
gestellt, wie beispielsweise Elektromotoren.
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Ein
beispielhafter elektronischer Leistungsschalter 9 ist in 3 gezeigt.
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Die
Versorgungsspannung V wird auch für die Temperaturmesswertschaltung 7 verwendet.
Eine beispielhafte Ausführung
für die
Temperaturmesswertschaltung 7 ist in 1 gezeigt.
Die modulierten Ausgangssignale der Temperaturmesswertschaltung 7 werden
dem Optokoppler 5 zur Übertragung
an den zweiten, galvanisch getrennten Bereich, nämlich das Steuergerät 4,
zugeführt.
Das Steuergerät
wird aus der Versorgungsspannung U1 versorgt, die von einer Batterie
oder einem Netzteil erzeugbar ist.
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Das
Steuergerät 4 umfasst
auch eine zumindest einen Mikrocontroller aufweisende Ansteuerung 2,
welche die Ansteuersignale S generiert. Diese werden dann über den
Optokoppler 6 an die Steuereingänge für die Ansteuersignale S der
Leistungsschalter 9 herangeführt.
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Mittels
der Auswertung 1 des Steuergeräts 4 und der Übertragung
der Information an die Ansteuerung 2 sind die Ansteuersignale
S von der erfassten Temperatur mindestens eines Leistungsschalters 9 beeinflussbar.
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Beispielsweise
wird bei höherer
Temperatur die Arbeitsfrequenz des Leistungsschalters herabgesetzt
und bei Überschreiten
einer kritischen Temperatur werden die Leistungsschalter 9 ausgeschaltet.
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Das
Steuergerät 4 umfasst
auch eine Spannungsversorgung 3, welche über einen
Transformator Niederspannungsenergie an das Leistungsteil 10 übertragbar
macht. Dort formt eine einen Gleichrichter 8 umfassende
Schaltungskomponente die Versorgungsspannung V.
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In
der 3 ist ein beispielhafter Leistungsschalter 9 gezeigt,
der eine Eingangsspannung UE und eine Ausgangsspannung UA aufweist.
Der Transistor T2 ist als MOSFET ausgeführt, wobei dessen Ansteuerspannung
von einem vorgeschalteten Transistor T1 erzeugt wird, der über einen
Widerstand R1 an die Versorgungsspannung V angeschlossen ist. Diesem
Transistor T1 werden die Ansteuersignale S an seinem Eingang zugeführt.
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Alternativ
sind als Leistungsschalter 9 auch IGBT-Transistoren oder
andere elektronische Leistungsschalter verwendbar.
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Vorteiligerweise
muss der Temperatursensor die Vorschriften zur sicheren Trennung
nach EN 50178 gegenüber
dem Leistungsschalter nicht erfüllen,
wodurch Isolationsmaterial zwischen Sensor und Leistungsschalter
einsparbar ist.
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- 1
- Auswertung
- 2
- Ansteuerung
- 3
- Spannungsversorgung
- 4
- Steuerelektronik
- 5
- Optokoppler
- 6
- Optokoppler
- 7
- Temperaturmesswertschaltung
- 8
- Gleichrichter
- 9
- Leistungsschalter
- 10
- Leistungselektronik
- U1
- Versorgungsspannung
- UE
- Eingangsspannung
- S
- Ansteuersignale
- UA
- Ausgangsspannung
- V
- Versorgungsspannung
- T1
- Transistor
- T1
- Transistor
- R1
- Widerstand
- C
- Kondensator
- RT
- Temperatursensor
- RRef
- Referenzwertgeber