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Die
Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zur schnellen Reduzierung
eines induzierten Stroms nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Bei
verschiedenen Anwendungen werden Ströme mit Hilfe von Schaltungen,
insbesondere Transistoren, ein- und ausgeschaltet. Befindet sich im
betreibenden Stromkreis eine Induktivität, hängt der zeitliche Verlauf des
geschalteten Stroms von der Höhe
der Induktivität
ab und ändert
sich üblicherweise
nach einer e-Funktion.
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Diese
Problematik tritt auch bei der Spannungsregelung von Generatoren,
beispielsweise Kraftfahrzeuggeneratoren, auf. Stellgröße für die Spannungsregelung
in Kraftfahrzeuggeneratoren ist der Erregerstrom, also der Strom,
der durch die Erregerwicklung des Generators fließt und das
Erregerfeld erzeugt. Die Spannungsregelung selbst wird über die
Kontrolle des Erregerstroms realisiert. Dies geschieht mittels einer
Endstufe eines Reglers, die wenigstens einen Schalttransistor umfasst.
Dieser Schalttransistor der Endstufe des Reglers schaltet den Erregerstrom
ein und aus. Das so genannte Erregerstrom-Takt-Verhältnis wird
dabei so verändert, dass
sich die Ausgangsspannung des Generators auf gewünschte Werte einstellt.
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Der
zeitliche Verlauf und somit die Höhe des Erregerstroms innerhalb
eines Intervalls, also innerhalb eines Schaltzyklus, ist unter anderem
von der Zeitkonstante der sich im Schaltkreis befindlichen Induktivität abhängig. Maßgeblich
für die
Höhe dieser Induktivität ist die
Erregerwicklung und somit der Läufer
des Generators, der die Erregerwicklung trägt.
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Prinzipiell
gilt: Wird die Endstufe eingeschaltet, steigt der Erregerstrom an.
Wird die Endstufe ausgeschaltet, klingt der Erregerstrom ab. Sowohl der
Anstieg des Erregerstroms als auch das Abklingen des Erregerstroms
erfolgt jeweils als e-Funktion. Der zeitliche Verlauf des Erregerstroms
und damit seine Zeitkonstante hängt
also von der Größe der Induktivität der Erregerwicklung
ab. Die Zeitkonstante wird üblicher
Weise als Läuferzeitkonstante
bezeichnet, da die Erregerwicklung sich auf dem Läufer des Generators
befindet.
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Wie
bekannt ist, kommt es beim Abschalten einer elektrischen Belastung
im Bordnetz zu einer Spannungsüberhöhung, die
vom Regler nur so schnell ausgeregelt werden kann, wie es die Läuferzeitkonstante
erlaubt. Diese Spannungsüberhöhung kann
bei entsprechender Höhe
und Dauer zur Folge haben, dass sich im Bordnetz befindliche Steuergeräte zum Eigenschutz
abschalten oder schlimmstenfalls zerstört werden und die damit dargestellten Funktionen
nicht mehr zur Verfügung
stehen.
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Ein
Spannungsregler für
einen Generator in einem Kraftfahrzeug, der den Erregerstrom regelt,
ist aus der
DE 102
19 823 A1 bekannt. Dieser Regler umfasst gegenüber anderen
bekannten Reglern zusätzlich
einen Referenztransistor, mit dem der Erregerstrom laufend gemessen
werden kann. Der gemessene Erregerstrom wird dann bei der Regelung mitberücksichtigt.
Der Induktivität
der Erregerwicklung ist in üblicher
Weise eine Freilaufdiode parallel geschaltet, die nach Öffnen des
Transistors der Endstufe den Freilauf des Erregerstroms ermöglicht.
Die Geschwindigkeit der Reduzierung des Erregerstromes hängt, ebenso
wie die benötigte
Zeitspanne, auch von den Eigenschaften der Freilaufdiode ab. Eine
Reduzierung des Erregerstroms in kürzerer Zeit als mittels einer
Freilaufdiode wird beim bekannten Spannungsregler nicht vorgesehen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Reduzierung
des durch eine Induktivität
fließenden
Stroms in kürzerer
Zeit als beim Stand der Technik möglich ist. Damit wird in vorteilhafter
Weise auch die Zeit der Spannungsüberhöhung für anschließbare Verbraucher verkürzt.
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Insbesondere
wird die Zeit der Spannungsüberhöhung in
einem Generator-Regler-System mit einer Regelung des Erregerstromes
reduziert. Erzielt werden diese Vorteile, indem die in der Induktivität, insbesondere
die Induktivität
der Erregerwicklung bzw. die im Läufer des Generators enthaltene
Energie schneller abgebaut wird. Dazu wird die Spannung im Freilaufkreis
erhöht,
wobei Mittel vorgesehen sind, die diese Spannungserhöhung ermöglichen
und der Freilaufdiode parallel geschaltet sind oder mit ihr in Reihe
geschaltet sind, bzw. die Freilaufdiode ganz ersetzen.
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Besonders
vorteilhaft ist auch, dass möglicherweise
auftretende Überspannungen
durch Lastabschaltung, schnelle Drehzahlerhöhung, Reduzierung der Sollspannung
im Regler durch Vorgabe, schnell ausregelbar sind, wobei das Gesamtsystem keine
konstruktiven Änderungen
an der Erregerwicklung, dem Läufer
oder dem Generator erfordert. Damit ist die Erfindung besonders
vorteilhaft einsetzbar und der Generator kann weiterhin auf Optimierung von
Stromabgabe, Wirkungsgrad, Größe, Gewicht... ausgelegt
werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Maßnahmen
erzielt. Diese Maßnahmen
umfassen beispielsweise die Parallelschaltung einer Z- bzw. Zenerdiode zur
Freilaufdiode unter zusätzlicher
Reihenschaltung eines Schalters und Ansteuerung dieses Schalters derart,
dass sich eine Spannungserhöhung
einstellt, wodurch eine erhöhte
Spannung im internen Freilaufkreis erhalten wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Lösung
legt eine Parallelschaltung einer Zenerdiode und eines Transistors
zwischen die Erregerwicklung mit einer bestimmten Induktivität und Masse,
wobei die Beschaltung derart ist, dass die Erregerwicklung jeweils
an den Kathoden der Zenerdiode und der Freilaufdiode angeschlossen
ist, wodurch ein diskreter Freilauf realisieren lässt. Die
Zenerdiode, der Transistor und eine zweite Steuereinheit bilden
vorteilhafter Weise eine zweite Einheit, die in besonders vorteilhafter Ausgestaltung
auf einem andere Chip als die erste Einheit angeordnet ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
stellt einen externen Freilauf über
das Bordnetz her. Die zweite Diode, der zweite Transistor und eine
zweite Steuereinheit bilden vorteilhafter Weise eine zweite Einheit,
die in besonders vorteilhafter Ausgestaltung auf einem andere Chip
als die erste Einheit angeordnet ist.
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Die
Verteilung auf zwei Chips ermöglicht
eine vorteilhafte Partitionierung, bei der Mehrkosten durch zusätzliche
Chipfläche
nur dann anfallen, wenn die erfindungsgemäße Funktion auch benötigt und
eingesetzt wird. Ein Kosteneinfluss auf die Standardapplikation
tritt somit nicht auf. Die Verwendung einer Partitionierung mit
einem separaten Chip ermöglicht
es, in vorteilhafter Weise den herkömmlichen IC für die Großserie ohne
Veränderung
in großer
Stückzahl
herzustellen. Dabei kann also der bisherige IC mit der eigentlichen
Regelung und Kundenschnittstelle weiter verwendet werden und die
Zusatzkosten für
den zweiten IC fallen nur bei Bedarf an.
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Zeichnung
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Drei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Dabei
zeigen im Einzelnen:
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1 eine
Schaltskizze nach dem Stand der Technik, 2 ein erstes
Ausführungsbeispiel
für eine
erhöhte
Spannung im internen Freilaufkreis, 3 ein zweites
Ausführungsbeispiel
für eine
erhöhte
Spannung als Schaltskizze für
einen diskreten Freilauf und 4 ein drittes
Ausführungsbeispiel
als Schaltskizze für
einen externen Freilauf über
das Bordnetz.
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Beschreibung
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Die
Erfindung betrifft generell Schaltungsanordnungen zur schnellen
Reduzierung eines induzierten Stroms und wird speziell anhand der
Zu- und Abschaltung des durch die Erregerwicklung eines Generators
fließenden
Erregerstroms mit Hilfe eines Reglers, erläutert. Ein solches System ist
beispielsweise ein in einem Fahrzeugbordnetz eingebauter Generator
mit einem Spannungsregler, der den Erregerstrom des Generators regelt
und damit die Ausgangsspannung des Generators auf vorgebbare Werte
von beispielsweise 12 bis 14 Volt einstellt. An den Generator angeschlossen
sind in üblicher
Weise die elektrischen Verbraucher des Bordnetzes sowie die zugehörige Fahrzeugbatterie.
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Eine
Schaltskizze nach diesem Stand der Technik ist in 1 dargestellt.
Dabei bezeichnet G den Generator mit den Anschlüssen B+ und Gnd. Der Spannungsregler
bzw. der Regler R, der die Ausgangsspannung des Generators G regelt,
umfasst einen Schalttransistor T1 und in Reihe zu diesem die Freilaufdiode
D1. Zwischen dem Schalttransistor T1 und der Kathode, der Freilaufdiode
D1, ist der Anschluss DF1 der Erregerwicklung E angeschlossen, der
Anschluss DF2 ist mit Masse verbunden. Die Ansteuerung des Schalttransistors
T wird mit Hilfe einer Steuerung bzw. eines Steuerteiles ST realisiert.
Das Steuerteil ST, der Transistor T1 und die Freilaufdiode D1 bilden
eine Einheit E1, sie können
auf einem einzigen Chip realisiert sein. An Stelle der Freilaufdiode kann
auch allgemein ein Freilaufelement eingesetzt, das entweder wenigstens
eine Freilaufdiode oder wenigstens einen Widersand oder wenigstens
einen Transistor oder eine Kombination dieser Elemente umfasst.
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Vom
Bordnetz sind lediglich ein Bordnetzwiderstand RB, ein Lastwiderstand
RL, der über
einen Schalter S1 zuschaltbar ist und die Batterie B dargestellt.
Die Serienschaltung mit dem Schalter S1 und dem Lastwiderstand RL
liegt bei geschlossenem Schalter parallel zu den Bordnetzverbraucher
und ist steht plusseitig mit dem Anschluss B+ in Verbindung. Masseseitig
liegt das Bordnetz auf Masse Gnd.
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Wird
der Transistor T1 der Endstufe eingeschaltet, steigt der Erregerstrom
IE durch die Erregerwicklung E nach einer e-Funktion an. Beim Ausschalten
der Endstufe klingt der Erregerstrom IE nach einer e-Funktion in
Abhängigkeit
von der Induktivität
der Erregerwicklung ab. Die Zeitkonstante der e-Funktion hängt im wesentlichen
von der Induktivität der
Erregerwicklung ab. Der Freilauf erfolgt folgendermaßen: nach Öffnen des
Transistors T1 läuft
der Erregerstrom IE des Läufers
sich über
den Pfad Klemme DF2 – über Diode
D1 – Klemme
DF1.
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Beim
Abschalten einer starken elektrischen Belastung im Bordnetz, beispielsweise
durch Öffnen des
Schalters S1 kommt es im Bordnetz zu einer Spannungsüberhöhung, die
vom Regler nur so schnell ausgeregelt werden kann, wie es die Induktivität der Erregerwicklung
bzw. die Zeitkonstante der e-Funktion erlaubt.
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In 2 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt, mit dem die Spannung im Freilaufkreis erhöht werden
kann, wodurch eine Reduzierung des Erregerstromes in kürzerer Zeit
möglich
ist, als mit dem bekannten System nach 1.
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Damit
kann die beim Abschalten eines Hochlastverbrauchers RB auftretende Überspannung schneller
abgebaut werden und das Bordnetz vor der Überspannung geschützt werden.
Wesentlich bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist, dass im
Regler R die Diode D1 durch eine Zenerdiode ergänzt wird, deren Kathode auf
Masse liegt. Die Funktion der Zenerdiode DZ kann mittels eines parallel
angebrachten Schalters S2 aktiviert oder deaktiviert werden. Die
Ansteuerung des Schalters S2 erfolgt beispielsweise mit Hilfe der
Steuereinrichtung S2 des Reglers R. Die übrigen Komponenten der Schaltung nach 2 entsprechen
denen nach 1. Geeignete Werte für die Zenerdiode
DZ sind beispielsweise eine Durchbruchspannung von 16 Volt und für die Freilaufdiode
eine Flussspannung von 1,5 Volt.
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Den
Freilaufkreis bilden beim ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Zenerdiode DZ,
die Freilaufdiode D1 und der Schalter S2. Für die Abschätzung der Energie, die mit
Hilfe dieses Freilaufkreises abgebaut werden soll, gelten folgende bekannte
Zusammenhänge:
Die
Energie, die in der Erregerwicklung E bzw. im Läufer enthalten ist, berechnet
sich in einem ersten Ansatz nach: W = U·I·t, wobei U die Spannung über dem
kompletten Freilaufkreis ist, I der Strom im Freilaufkreis und t
die Zeit, während
der der Strom fließt. Der
Anfangsstrom ist durch den aktuellen Betriebszustand bestimmt.
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Die
Formel für
die abzubauende Energie W zeigt, dass, sofern die Spannung U im
Freilaufkreis erhöht
wird, die Zeit, während
der der Freilaufstrom fließt,
im gleichen Maß reduziert
wird, da das Produkt für
die Energie W = U·I·t konstant
bleibt. Eine Spannungserhöhung
im Freilaufkreis erlaubt somit eine schnellere Ausregelung einer Überspannung,
die beispielsweise durch eine Lastabschaltung im Bordnetz oder eine
schnelle Erhöhung
der Generatordrehzahl oder eine Reduzierung der Sollspannung im Regler
durch Vorgabe eines geringeren Wertes verursacht wird. Dabei ist
es nicht erforderlich, die Läuferzeitkonstante
bzw. die Induktivität
der Erregerwicklung durch konstruktive Maßnahmen im Generator, insbesondere
der Erregerwicklung zu verändern. Eine
solche Änderung
von konstruktiven Maßnahmen
im Generator hätte
negative Auswirkungen auf dessen Funktions- bzw. Leistungsfähigkeit,
da der Generator üblicherweise
auf Größen wie
Stromabgabe, Wirkungsgrad, Baugröße oder
Gewicht optimiert ist. Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Spannung im Freilaufkreis
können
also die primären Eigenschaften
des Generators beibehalten werden. Es ist dabei möglich, herkömmliche
Generator-Regler-Systeme einzusetzen und diese mit geringen Änderungen
so abzuändern,
dass die gewünschte
höhere
Spannung im Erregerkreis erhalten wird.
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Die
Funktionsweise des Ausführungsbeispiels
nach 2, bei dem eine erhöhte Spannung im inneren Freilaufkreis
erzeugt wird, ist wie folgt:
Im Normalbetrieb ist der Schalter
S2 geschlossen. Nach Öffnen
des Transistors T1 läuft
der Erregerstrom IE des Läufers
sich über
den Pfad Anschluss DF2 – über Freilaufdiode
D1 – über Schalter
S2 – über Anschluss
DF1 frei.
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Soll
schnell entregt werden, beispielsweise nach der Abschaltung eines
starken Verbrauchers RL durch Öffnen
des Schalters S1, wird der Schalter S2 geöffnet. Da DZ in diesem Fall
eine Zenerdiode ist, die beispielsweise eine Spannung von 16 Volt
hat und D1 eine Flussspannung von 1,5 Volt, ergibt sich eine erhöhte Spannung
im inneren Freilaufkreis. Nach Öffnen
des Transistors T1 läuft
der Erregerstrom des Läufers
sich über
den Pfad Anschluss DF2 – über Zenerdiode
DZ – über Freilaufdiode
D1 – über Anschluss
DF1 frei. Da die Zenerdiode einen höheren Spannungsfall aufweist,
läuft der
Erregerstrom IE schneller aus als bei herkömmlichen Freilaufkreisen und
die Zeit, während
der Überspannungen
entstehen können,
verkürzt
sich und möglicherweise
doch entstehende Überspannungen
werden schneller abgebaut.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 3 zeigt eine Schaltskizze mit diskretem Freilauf.
In diesem Fall ist gegenüber
dem Stand der Technik nach 1 zusätzlich zur
Einheit E1 eine weitere Einheit E2 vorhanden, die sich beispielsweise
zusammensetzt aus einer Zenerdiode DZ2, die zwischen dem Anschluss DF2
der Erregerwicklung E und Masse Gnd liegt. Parallel zu dieser Zenerdiode
DZ2 liegt die Schaltstrecke eines Transistors T2, der von einer
Steuerung ST2 angesteuert wird. Die Zenerdiode DZ2 weist dabei beispielsweise
eine Sperrspannung von 16 Volt auf, während D1 wiederum eine Flussspannung
von 1,5 Volt hat und der Transistor T2 einen niedrigen Spannungsfall
aufweist.
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Im
Normalbetrieb ist der Transistor T2 geschlossen. Nach Öffnen des
Transistors T1 läuft
der Erregerstrom des Läufers
sich über
den Pfad Anschluss DF2 – über Transistor
T2 – über Freilaufdiode D1 – über Anschluss
DF1 frei.
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Soll
schnell entregt werden, beispielsweise nach Abschalten einer Last
RL, wird der Transistor T2 durch ein entsprechendes Ansteuersignal,
beispielsweise von der Steuerung ST2 geöffnet. In diesem Fall läuft sich
der Erregerstrom des Läufers
nach dem Öffnen
des Transistors T1 über
den Pfad Anschluss DF2 – Zenerdiode
DZ2 – Diode
D1 – Anschluss
DF1 frei. Da die Zenerdiode DZ2 einen höheren Spannungsfall aufweist,
läuft der
Erregerstrom schneller aus.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 4 ist prinzipiell gleich aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel nach 3.
Die Einstellung ist jedoch so, dass ein externer Freilauf über das
Bordnetz stattfindet. Dazu ist die Einheit E2 des Reglers R auf
eine Spannungsschwelle eingestellt, die über dem Arbeitsbereich der Einheit
E1 liegt. Dabei sind verschiedene Realisierungen möglich.
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Im
Normalbetrieb ist der Transistor T2 nach Power-on durchgeschaltet
und hat keinen Einfluss auf das Regelverhalten. Die Einheit Transistor T1/Freilaufdiode
D1 übernimmt
die Regelungsfunktion, wobei der Freilauf über Läufer – Anschluss DF2 – Transistor
T2 – Freilaufdiode
D1 – Anschluss
DF1 – Läufer erfolgt.
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Im
Fall einer Schnellentregung bei Lastabschaltung erfolgt der Stromabbau
wie folgt: Durch Erkennung einer Überspannung (Einheit 2 etwas
höher als
Einheit 1) schalten beide Transistoren T1 und T2 ab.
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Bei
Reduzierung der Sollspannung USOLL ist eine
Realisierung wie für
den Fall der Überspannung nicht
möglich,
da die Einheit E2 keine Überspannung erkennen
kann. Die Einheit E2 muss daher an den Kommunikationsweg angebunden
sein und auf bestimmte Signale oder Befehle, die von extern geliefert werden,
mit Abschalten des Transistors T2 reagieren. Beispielsweise sind
Sollwertvorgaben in engen Bereichen oder Sondersignale auch über zusätzliche Leitungen
möglich.
Diese Sondersignale SIG werden dem Regler bzw. den Einheiten E1,
E2 des Reglers über
entsprechende Schnittstellen zugeführt, sie können beispielsweise von einem
Steuergerät
geliefert werden.
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Der
Freilauf erfolgt in diesem Fall wie folgt: Läufer – Anschluss DF2 – Diode
D2 – Bordnetz – Diode
D1 – Anschluss
DF1 – Läufer.
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Die
beiden Ausführungsbeispiele
nach 3 und 4 erlauben die Verteilung der
Einheiten E1 und E2 auf zwei getrennten Chips. Die zweite Diode,
der zweite Transistor und eine zweite Steuereinheit bilden dann
eine zweite Einheit
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Die
Verteilung auf zwei Chips ermöglicht
eine vorteilhafte Partitionierung, bei der Mehrkosten durch zusätzliche
Chipfläche
nur dann anfallen, wenn die erfindungsgemäße Funktion auch benötigt und
eingesetzt wird. Ein Kosteneinfluss auf die Standardapplikation
tritt somit nicht auf. Die Verwendung einer Partitionierung mit
einem separaten Chip ermöglicht
es, den herkömmlichen
IC für
die Großserie ohne
Veränderung
in großer
Stückzahl
herzustellen. Dabei kann also der bisherige IC mit der eigentlichen Regelung
und Kundenschnittstelle weiter verwendet werden und die Zusatzkosten
für den
zweiten IC fallen nur bei Bedarf an.