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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, aufweisend mindestens
eine elektrische Bauelementeinheit mit mindestens einer Kapazitätsstruktur,
mindestens einer Induktionsstruktur und mindestens einem elektrischen
Verbindungsnetzwerk, wobei die Kapazitätsstruktur eine Elektrode,
mindestens eine weitere Elektrode und mindestens ein zwischen den
Elektroden angeordnetes Dielektrikum aufweist, die Induktionsstruktur
einen magnetischen Kern mit einem Kerninnenraum aufweist, in dem
die Kapazitätsstruktur
zumindest teilweise angeordnet ist und das Verbindungsnetzwerk zur
elektrischen Kontaktierung der Elektroden der Kapazitätsstruktur
eine bestimmte Verbindungskonfiguration aufweist. Darüber hinaus
wird ein Verfahren zum Verändern
des elektrischen Bauelements angegeben.
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Ein
elektrisches Bauelement der genannten Art ist beispielsweise aus
Hofsajer et al., IEEE PESO 1998, Seiten 1957-1963 bekannt. Das Bauelement ist
eine integrierte Kapazitäts-Induktionsstruktur.
Die Elektroden und das Dielektrikum der Kapazitätsstruktur sind zu einem Mehrschichtkondensator
angeordnet. Leer Mehrschichtkondensator befindet sich im Kerninnenraum
eines magnetischen Kerns. Das Dielektrikum des Kondensators ist
eine Keramik. Ein magnetisches Material des magnetischen Kerns ist
ein Ferrit.
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Das
Verbindungsnetzwerk zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden
der Kapazitätsstruktur des
bekannten elektrischen Bauelements ist für eine bestimmte elektromagnetische
Funktion festgelegt, die mit Hilfe des Bauelements realisiert werden
soll. So ist beispielsweise die Verbindungskonfiguration des Verbindungsnetzwerks
derart ausgelegt, dass als elektromagnetische Funktion des Bauelements ein
paralleler oder serieller Schwingkreis realisiert ist.
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Mit
Hilfe des bekannten elektrischen Bauelements kann mit der gleichen
Bauelementstruktur über
eine bestimmte Verbindungskonfiguration des Verbindungsnetzwerks
jeweils eine bestimmte elektromagnetische Funktion realisiert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein im Vergleich zum bekannten
Stand der Technik flexibleres elektrisches Bauelement bereit zu
stellen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein elektrisches Bauelement angegeben, aufweisend
mindestens eine elektrische Bauelementeinheit mit mindestens einer
Kapazitätsstruktur,
mindestens einer Induktionsstruktur und mindestens einem elektrischen
Verbindungsnetzwerk, wobei die Kapazitätsstruktur eine Elektrode,
mindestens eine weitere Elektrode und mindestens ein zwischen den
Elektroden angeordnetes Dielektrikum aufweist, die Induktionsstruktur
einen magnetischen Kern mit einem Kerninnenraum aufweist, in dem
die Kapazitätsstruktur
zumindest teilweise angeordnet ist und das Verbindungsnetzwerk zur
elektrischen Kontaktierung der Elektroden der Kapazitätsstruktur
eine bestimmte Verbindungskonfiguration aufweist. Das Bauelement
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskonfiguration veränderbar
ist.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Verändern des elektrischen Bauelements angegeben,
wobei ein Verändern
der Verbindungskonfiguration durchgeführt wird.
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Der
grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, die Verbindungskonfiguration
nicht festzulegen. Die Verbindungskonfiguration ist veränderbar.
Dadurch können
auf einfache Weise verschiedene elektromagnetische Funktionen realisiert bzw.
ineinander überführt werden.
Das Bauelement ist multifunktional.
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Insbesondere
weisen die Elektrode einen ersten Elektrodenanschluss und mindestens
einen zweiten Elektrodenanschluss und die weitere Elektrode einen
ersten weiteren Elektrodenanschluss und mindestens einen zweiten
weiteren Elektrodenanschluss auf, wobei die elektrische Kontaktierung
der Elektroden über
die Elektrodenanschlüsse
erfolgt. In Abhängigkeit
von der zu realisierenden elektromagnetischen Funktion werden bestimmte
Elektrodenanschlüsse
ausgewählt,
die mit Hilfe des Verbindungsnetzwerks verbunden werden. Die elektrischen
Verbindungen zwischen den Elektrodenanschlüssen und/oder zu den Elektrodenanschlüssen sind
lösbar. Ein
Lösen einer
der Verbindungen kann ohne Zerstörung
eines elektrischen Verbindungsmittels der Verbindung erfolgen. Dies
gelingt beispielsweise mit elektrischen Schaltern als elektrische
Verbindungsmittel.
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In
einer besonderen Ausgestaltung bilden die Elektroden und das zwischen
den Elektroden angeordnete Dielektrikum einen Plattenkondensator. Vorzugsweise
weist der Plattenkondensator eine Vielschichtbauweise auf. Dies
bedeutet, dass mehrere erste, mehrere zweite und dazwischen angeordnete
Schichten aus dielektrischem Material angeordnet sind. Dadurch wird
die Kapazität
des Kondensators erhöht.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung sind die Elektroden koaxial zueinander angeordnet.
Die Elektroden bilden beispielsweise ein Koaxialkabel, das im Kerninnenraum
der Induktionseinheit angeordnet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist eine Anzahl von Bauelementeinheiten vorhanden.
Neben der Bauelementeinheit ist mindestens eine weitere Bauelementeinheit
vorhanden. Dabei können
einzelne Bestandteile der Bauelementeinheiten von gemeinsamen Bestandteilen
gebildet werden. Ein gemeinsamer Bestandteil ist beispielsweise
ein gemeinsamer magnetischer Kern. Denkbar ist auch denkbar, dass
der gemeinsame Bestandteil von gemeinsamen Elektroden gebildet wird.
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Die
Anordnung der verschiedenen Bauelementeinheiten zueinander kann
beliebig gewählt werden.
Vorzugsweise wird bei Verwendung von gemeinsamen Bauteilen die Anordnung
so gewählt, dass
eine Platz sparende und effiziente Verbindung zwischen den Bauelementeinheiten
möglich
ist. Beispielsweise werden die Bauelementeinheiten bei Verwendung
eines gemeinsamen magnetischen Kerns übereinander angeordnet.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung des Verfahrens werden zum Verändern der
Verbindungskonfiguration Knotenpunkte zwischen den Elektrodenanschlüssen der
Elektroden der Kapazitätsstruktur
erzeugt oder entfernt. Zum Erzeugen und Entfernen der Knotenpunkte
werden vorzugsweise elektrische Schalter verwendet. Die elektrischen
Schalter können
per Hand manipuliert werden.
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Vorzugsweise
wird zum Verändern
der Verbindungskonfiguration ein Datenverarbeitungsprogramm verwendet.
Dies bedeutet, dass die Konfiguration des Verbindungsnetzwerks mit
Hilfe eines Datenverarbeitungsprogramms verändert werden kann. Das elektrische
Bauelement ist programmierbar. Beispielsweise werden mit Hilfe des
Datenverarbeitungsprogramms die Schalter zum Erzeugen und Entfernen
von Knotenpunkten angesteuert.
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Insbesondere
ist ein Bauelement zugänglich, das
in Abhängigkeit
von der Verbindungskonfiguration des Verbindungsnetzwerks eine aus
der Gruppe Kapazität,
Induktivität,
Verbindungsleitung, Schwingkreis und/oder Filter ausgewählte elektromagnetische
Funktion aufweist. Die Funktionen können durch Änderung der Verbindungskonfiguration
leicht ineinander überführt werden.
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Die
Konfiguration des Verbindungsnetzwerks kann dabei vor Inbetriebnahme
des Bauelements eingestellt werden. In einer besonderen Ausgestaltung
wird die Verbindungskonfiguration während einer Betriebsphase des
Bauelements durchgeführt,
also nach der Inbetriebnahme des Bauelements.
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Zusammenfassend
ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende wesentlichen
Vorteile:
- – Es
liegt ein multifunktionales elektrisches Bauelement vor. Mit einem
einzigen elektrischen Bauelement ist eine Vielzahl von elektromagnetischen Funktionen
zugänglich.
- – Das
multifunktionale elektrische Bauelement ist flexibel. Die verschiedenen
elektromagnetischen Funktionen des Bauelements können einfach durch Verändern der
Verbindungskonfiguration des Verbindungsnetzwerks ineinander überführt werden.
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Anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele
und der dazugehörigen
Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren
sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen
dar.
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1 zeigt
eine elektrische Bauelementeinheit des elektrischen Bauelements
in perspektivischer Darstellung.
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2 zeigt
die angedeutete Bauelementeinheit der 1 in einem
seitlichen Querschnitt.
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3 zeigt
ein elektrisches Bauelement mit zwei elektrischen Bauelementeinheiten.
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4a bis 13a zeigen die Bauelementeinheit der 1 mit
unterschiedlichen Verbindungskonfigurationen des Verbindungsnetzwerks.
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4b bis 13b zeigen die zu den Verbindungskonfigurationen
gemäß der 4a bis 13a gehörenden
Ersatzschaltbilder.
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Gemäß der nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispiele
liegt ein integriertes, veränderbares,
d.h. rekonfigurierbares elektrisches Bauelement 1 vor.
Wesentlicher Bestandteil des elektrischen Bauelements 1 ist
mindestens eine Bauelementeinheit 10. Die Bauelementeinheit 10 weist
eine Kapazitätsstruktur 100,
eine Induktionsstruktur 140 und ein Verbindungsnetzwerk 150 auf
(1 und 2).
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Die
Kapazitätsstruktur 100 der
Bauelementeinheit 10 weist eine Elektrode 110,
eine weitere Elektrode 120 und ein zwischen den Elektroden 110 und 120 angeordnetes
Dielektrikum 130 auf. Das Dielektrikum 130 der
Kapazitätsstruktur 100 wird
von einer Keramikplatte gebildet. Die Elektroden 110 und 120 der
Kapazitätsstruktur 100 werden
von Metallisierungen gebildet, die auf die beiden Hauptflächen der
Keramikplatte aufgebracht sind. Die Kapazitätsstruktur 100 liegt
als Plattenkondensator vor.
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Jede
der Elektroden 110 und 120 der Kapazitätsstruktur 100 verfügt über mindestens
zwei Elektrodenanschlüsse.
Die Elektrode 110 weist einen ersten Elektrodenanschluss 111 und
einen zweiten Elektrodenanschluss 112 auf. Die weitere
Elektrode 120 weist einen ersten weiteren Elektrodenanschluss 121 und
einen zweiten weiteren Elektrodenanschluss 122 auf.
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Die
Induktionsstruktur 140 der Bauelementeinheit 10 weist
einen magnetischen Kern 141 mit einem Kerninnenraum 142 auf.
Der Kern 141 weist als magnetisches Material ein Ferrit
auf.
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Im
Kerninnenraum 142 des Kerns 141 befindet sich
zumindest teilweise die Kapazitätsstruktur 100.
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Zur
elektrischen Kontaktierung der Elektroden 110 und 120 der
Kapazitätsstruktur 100 ist
ein elektrisches Verbindungsnetzwerk 150 vorhanden (vgl. 3). Über das
Verbindungsnetzwerk 150 sind die Elektrodenanschlüsse 111 und 112 der
Elektrode 110 und die weiteren Elektrodenanschlüsse 121 und 122 der
weiteren Elektrode 120 elektrisch kontaktiert. Das elektrische
Verbindungsnetzwerk 150 weist eine Verbindungskonfiguration 151 auf.
Durch die Verbindungskonfiguration 151 werden die elektrischen
Kontaktierungen der Elektrodenanschlüsse 111, 112, 121 und 122 festgelegt.
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Das
Verbindungsnetzwerk 150 ist so ausgestaltet, dass die Verbindungskonfiguration 151 verändert und
damit rekonfiguriert werden kann. Dazu können zwischen den Elektrodenanschlüssen 111, 112, 121 und 122 Knotenpunkte 152 erzeugt
bzw. entfernt werden. Das Erzeugen oder das Entfernen der Knotenpunkte 152 kann
dabei durchgeführt
werden, ohne dass einzelne Verbindungselemente aufgebaut oder zerstört werden
müssen.
Das Erzeugen der Knotenpunkte 152 erfolgt dazu mit nicht
dargestellten elektrischen Schaltern. Die elektrischen Schalter
sind über
ein Datenverarbeitungsprogramm elektrisch ansteuerbar.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist neben der Bauelementeinheit 10 eine weitere Bauelementeinheiten 20 vorhanden
(3). Die weitere Bauelementeinheit 20 weist
einen zur Bauelementeinheit 10 identischen Aufbau auf.
D.h. die weitere Bauelementeinheit 20 verfügt über eine
weitere Kapazitätsstruktur 200,
eine weitere Induktionsstruktur 240 und ein weiteres Verbindungsnetzwerk 250.
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Die
weitere Kapazitätsstruktur 200 weist
eine Elektrode 210 mit einem ersten Elektrodenanschluss 211 und
einem zweiten Elektrodenanschluss 212, eine weitere Elektrode 220 mit
einem ersten weiteren Elektrodenanschluss 221 und einem
zweiten weiteren Elektrodenanschluss 222 und ein zwischen
den Elektroden 210 und 220 angeordnetes weiteres
Dielektrikum 230 auf.
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Die
weitere Induktionsstruktur 240 der weiteren Bauelementeinheit 20 weist
einen weiteren magnetischen Kern 241 mit einem weiteren
Kerninnenraum 242 auf. Der weitere Kern 241 weist
als magnetisches Material ebenfalls ein Ferrit auf. Im weiteren Kerninnenraum 242 des
weiteren Kerns 241 befindet sich zumindest teilweise die
weitere Kapazitätsstruktur 200.
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Die
Elektrodenanschlüsse 211, 212, 221 und 222 der
Elektroden 210 und 220 der weiteren Bauelementeinheit 20 werden über das
weitere Verbindungsnetzwerk 250 elektrisch kontaktiert,
der die weitere Verbindungskonfiguration 251 zugrunde liegt.
Die Kontaktierung ist durch die weitere Verbindungskonfiguration 251 festgelegt.
Auch die weitere Verbindungskonfiguration 251 ist veränderbar.
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Die
Bauelementeinheiten 10 und 20 sind derart aneinander
angeordnet und miteinander verbunden, dass der magnetische Kern 141 der
Induktionsstruktur 140 der Bauelementeinheit 10 und
der weitere magnetische Kern 241 der weiteren Induktionsstruktur 240 der
weiteren Bauelementeinheit 20 einen gemeinsamen magnetischen
Kern bilden (3). Auch sind die Verbindungsnetzwerke 150 und 250 derart
miteinander verbunden, dass ein gesamtes Verbindungsnetzwerk vorhanden
ist. Die Verbindungskonfiguration des gesamten Verbindungsnetzwerks
kann – wie
die einzelnen Verbindungsnetzwerke 150 und 250 – verändert werden.
Es liegt ein gesamtes, rekonfigurierbares Verbindungsnetzwerk vor.
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Weitere
Ausführungsformen
ergeben sich dadurch, dass mehr als zwei der oben beschriebenen Bauelementeinheiten
vorhanden sind.
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Die
Verbindungskonfiguration 151 des Verbindungsnetzwerks 150 bzw.
die Verbindungskonfiguration 251 des weiteren Verbindungsnetzwerks 250 werden
gemäß einer
ersten Ausführungsform vor
Inbetriebnahme des Bauelements 1 festgelegt. Basierend
auf den Verbindungskonfigurationen 151 bzw. 251 werden
Knotenpunkte 152 und 252 zwischen den Elektrodenanschlüssen 111, 112, 121, 122, 211, 212, 221 und/oder 222 bzw.
zu den Elektrodenanschlüssen 111, 112, 121, 122, 211, 212, 221 und/oder 222 erzeugt
oder entfernt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform werden
die Verbindungskonfigurationen 151 und 152 während einer
Betriebsphase des Bauelements 1, also nach Inbetriebnahme
des Bauelements 1 geändert.
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In
beiden genannten Fällen
werden zum Erzeugen oder Entfernen der Knotenpunkte 151 und 152 elektrische
Schalter verwendet, die mit Hilfe eines Datenverarbeitungsprogramms
angesteuert werden.
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Im
Folgenden werden verschiedene Verbindungskonfigurationen 151 für das Verbindungsnetzwerks 150 der
Bauelementeinheit 10 angegeben. Durch die unterschiedlichen
Verbindungskonfigurationen 151 ist jeweils ein elektrisches
Bauelement 1 mit einer individuellen elektromagnetischen
Funktion realisiert. Allein durch Verändern der Verbindungskonfiguration 151 des
Verbindungsnetzwerks 150 können die individuellen elektromagnetischen
Funktionen ineinander überführt werden.
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Die
nachfolgenden Beispiele beschränken sich
jeweils auf eine einzige Bauelementeinheit und können entsprechend auf eine beliebige
Anzahl von miteinander gekoppelten Bauelementeinheiten übertragen
werden.
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Beispiel 1:
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Die
Verbindungskonfiguration 151 der Bauelementeinheit 10 ist
derart ausgestaltet, dass das elektrische Bauelement 1 die
elektromagnetische Funktion einer Kapazität übernimmt (4A und 4B).
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Beispiel 2:
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Das
elektrische Bauelement 1 ist zu einer Induktion ausgestaltet.
Dazu bildet die Elektrode 110 zusammen mit den Elektrodenanschlüssen 111 und 112 und
dem Verbindungsnetzwerk 150 eine mit dem magnetischen Kern 141 gekoppelte
Spule (5a und 5b).
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Beispiel 3:
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Zusätzlich zur
Ausgestaltung gemäß dem vorangegangenem
Beispiel mit der Spule sind die weiteren Elektrodenanschlüsse 121 und 122 der
weiteren Elektrode 120 der Kapazitätsstruktur 100 elektrisch
kurzgeschlossen (6a und 6b).
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Beispiel 4:
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Der
zweite Elektrodenanschluss 112 der Elektrode 110 und
der zweite weitere Elektrodenanschluss 122 der weiteren
Elektrode 120 sind über
das Verbindungsnetzwerk 150 elektrisch kurzgeschlossen.
Die Elektroden 110 und 120 und das Verbindungsnetzwerk 150 bilden
eine elektrische Verbindungsleitung (7a und 7b).
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Beispiel 5:
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Die
Verbindungskonfiguration 151 des Verbindungsnetzwerks 150 ist
derart ausgestaltet, dass das Bauelement 1 als serieller
elektrischer Schwingkreis fungiert (8a und 8b).
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Beispiel 6:
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Die
gewählte
Verbindungskonfiguration 151 des Verbindungsnetzwerks für zu einem
als paralleler elektrischer Schwingkreis ausgestaltetes Bauelement 1 (9a und 9b).
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Beispiel 7:
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Über die
Gestaltung der Verbindungskonfiguration 151 ist das Bauelement
als „Low
Pass Filter" ausgestaltet
(10a und 10b).
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Beispiel 8:
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Im
Gegensatz zum vorangegangenem Beispiel ist mit dem elektrischen
Bauelement 1 allein durch das Einstellen der Verbindungskonfiguration ein „High Pass
Filter" realisiert
(11a und 11b)
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Beispiel 9:
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Das
elektrische Bauelement 1 ist zu einem „Band Stop Filter" ausgestaltet (12a und 12b).
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Beispiel 10:
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Das
elektrische Bauelement ist zu einem „Band Pass Filter" angeordnet (13a und 13b).