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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens eines
Phasenstroms bei einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 8.
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Beim
Betrieb von elektrischen Maschinen ist es oftmals gewünscht oder
erforderlich, mindestens einen Phasenstrom zu bestimmen. Dies gilt
insbesondere für
Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, bei denen eine elektrische
Maschine getaktet angesteuert wird, bevorzugt mittels einer pulsweitenmodulierten
(PWM-) Spannung. Die Information über den mindestens einen Phasenstrom
dient als ein Eingabeparameter in Steuerungs- oder Regelungskreise,
die beispielsweise einer Überwachung
oder einer Abschaltung bei Überschreitung
eines Grenzwerts dienen. Zur Messung des Phasenstroms ist es bekannt,
einen niederohmigen Strommessshunt (Shunt) einzusetzen, der im Stromkreis
des Phasenstroms angeordnet ist. Die über den Shunt abfallende Spannung
ist proportional zum Phasenstrom und wird über entsprechende Kontakte
abgegriffen. Das Signal dieses Spannungsabfalls wird weiterverarbeitet
(beispielsweise verstärkt
oder digitalisiert) und ausgewertet. Für das Anwendungsbeispiel einer dreiphasigen
Maschine ergibt sich, dass stets mindestens zwei Phasenströme bestimmt
werden müssen – der dritte
Strom ergibt sich unmittelbar aus den zwei bekannten Strömen. Um
dies zu realisieren, muss ein Shunt in jeder Phase der elektrischen
Maschine angeordnet sein. Im Zusammenspiel mit den benötigten Vorrichtungen
zur Signalaufbereitung, entstehen durch diese Lösung hohe Kosten und ein großer Platzbedarf.
Zudem ist es bekannt, mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors
(DSP) die Phasenströme
mit genau einem Shunt zu messen, der in der Zusammenführung der
Phasen angeordnet ist (Application note von Texas Instruments, Three
Phase Current Measurements Using a Single Line Resistor on the TMS320F240,
Literature number: BPRA077, May 1998). Das Verfahren hat jedoch
den Nachteil, dass die Messung asynchron mit der Taktperiode ist.
Der Zeitpunkt der Messung muss für
jede Taktperiode neu berechnet werden, und die Tastverhältnisse müssen auf
sehr komplizierte Weise angepasst beziehungsweise korrigiert werden.
Dadurch entsteht -alleine aufgrund der Strommessung- ein hoher Rechenaufwand,
der sich nur mit spezialisierten Mikrocontrollern, insbesondere
dem vorgeschlagenen digitalen Signalprozessor, bewältigen lässt. Es
verbleibt daher, insbesondere für
Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, der Wunsch nach einer einfacheren und
kostengünstigeren
Lösung.
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Vorteile der
Erfindung
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Für ein Verfahren
zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms bei einer elektrischen
Maschine mit einer Maschinensteuervorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen mit
jeweils mindestens einem Schaltelement, wobei die Maschinensteuervorrichtung
mittels Betriebsschaltvorgängen
die Schaltanordnungen derart schaltet, dass zumindest zeitweise
mindestens ein Phasenstrom zur Maschine geleitet wird, um den Betrieb
der Maschine zu bewirken, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zur Bestimmung
mindestens eines Phasenstroms die Betriebsschaltvorgänge an mindestens einer
Schaltanordnung für
mindestens eine Taktperiode der Betriebsschaltvorgänge jeweils
um ein Zeitintervall versetzt werden. Dies bedeutet zum einen, dass
Betriebsschaltvorgänge
sowohl mit steigenden als auch mit fallenden Flanken innerhalb der
Taktperiode um das genannte Zeitintervall verschoben werden. Zum
anderen bleiben die Betriebsschaltvorgänge innerhalb der Taktperiode; das
heißt,
würde die
Verschiebung eines Betriebsschaltvorgangs rechnerisch zu einem Zeitpunkt
nach dem Ende der Taktperiode beziehungsweise vor dem Beginn der
Taktperiode führen,
so wird der Zeitpunkt durch Addition oder Subtraktion eines ganzzahligen Vielfachen
der Taktperiode korrigiert, so dass der versetzte Betriebsschaltvorgang
innerhalb der Taktperiode zu liegen kommt. Dadurch bleibt das Tastverhältnis einer
Schaltanordnung innerhalb der Taktperiode unverändert. Das Zeitintervall wird
dabei derart gewählt,
dass aufgrund der Verschiebung innerhalb der Taktperiode ein Schaltzustand
entsteht, bei dem die Schaltzustände
der Schaltanordnungen nicht alle gleich sind. In diesem Fall fließt ein Strom,
der genau einer Phase zugeordnet werden kann, so dass die Strommessung
dann diesen Phasenstrom ermittelt. Da also zum Zeitpunkt der Strommessung
stets ein definierter Phasenstrom fließt, kann die Strommessung mittels
einer Messeinrichtung an einer zentralen Stelle erfolgen und muss
nicht mehr für
jede Phase einzeln vorgesehen werden. Das Prinzip der Erfindung
wird im Rahmen der Erläuterungen
zu den Ausführungsbeispielen
noch näher
erläutert
werden.
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Vorteilhafterweise
werden die Betriebsschaltvorgänge
an zwei Schaltanordnungen um das gleiche Zeitintervall versetzt.
Dies ermöglicht
eine einfache Realisierung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Betriebsschaltvorgänge an genau
einer Schaltanordnung für
die Dauer von mehreren Taktperioden, insbesondere dauerhaft, versetzt.
Auf diese Weise lässt
sich die Realisierung der zeitlich versetzten Betriebsschaltvorgänge besonders
einfach gestalten.
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Mit
Vorteil entspricht das Versetzen der Betriebsschaltvorgänge einer
Phasenverschiebung eines Betriebsschaltvorgangssignals. Dann lässt sich das
Versetzen der Betriebsschaltvorgänge
um das genannte Zeitintervall einfach bewirken. Unter dem Betriebsschaltvorgangssignal
ist dabei das Ansteuersignal zu verstehen, welches die Betriebsschaltvorgänge hervorruft.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Phasenverschiebung zwischen 160 und 200
Grad, insbesondere in etwa 180 Grad, vorzugsweise 180 Grad beträgt. So kann
ein möglichst
großes
Messzeitintervall erzeugt werden. Dabei lässt sich insbesondere eine
Phasenverschiebung von in etwa 180 Grad, vorzugsweise 180 Grad,
einfach realisieren.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Messung
des Phasenstroms in der Mitte einer Taktperiode.
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Vorteilhafterweise
wird aus der Messung von mindestens einem Phasenstrom ein weiterer
Phasenstrom rechnerisch bestimmt. Am Beispiel einer dreiphasigen
Maschine bedeutet dies, dass zwei Phasenströme gemessen werden und der
dritte aus der Gleichung IA + IB +
IC = 0 bestimmt wird. Dadurch ist es nicht
erforderlich, jeden Phasenstrom tatsächlich zu messen.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens
eines Phasenstroms bei einer elektrischen Maschine mit einer Maschinensteuervorrichtung,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug, aufweisend mehrere jeweils einer Phase zugeordnete
Schaltanordnungen mit jeweils mindestens einem Schaltelement, wobei
die Maschinensteuervorrichtung mittels Betriebsschaltvorgängen die Schaltanordnungen
derart schaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom
zur Maschine geleitet wird, um den Betrieb der Maschine zu bewirken,
wobei die Vorrichtung eine Messeinrichtung aufweist und eine zur
Bestimmung mindestens eines Phasen stroms die Betriebsschaltvorgänge an mindestens
einer Schaltanordnung für
mindestens eine Taktperiode der Betriebsschaltvorgänge jeweils
um ein Zeitintervall versetzende Beeinflussungsvorrichtung vorgesehen
ist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn ein Messelement der Messeinrichtung in einer
Zusammenführung
aller Phasen angeordnet ist. Es ist demnach nicht mehr erforderlich,
Messelemente für
jede Phase vorzusehen.
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Vorteilhafterweise
weist die Messeinrichtung einen Messwiderstand, insbesondere einen
Shunt, auf. Dadurch lässt
sich die Messeinrichtung preiswert gestalten.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Schaltanordnungen jeweils
zwei Schaltelemente auf. Diese Schaltelemente sind dabei bevorzugt
als Halbleiterschaltelemente, insbesondere Transistoren, ausgebildet.
Dabei sind die Schaltelemente insbesondere in Reihe angeordnet,
wobei zwischen den Schaltelementen ein Abzweig in eine Phase der
elektrischen Maschine angeordnet ist. Im Zusammenspiel mit mindestens
einer weiteren Schaltanordnung lassen sich so eine oder mehrere
Brückenschaltungen
realisieren, mittels derer die gewünschte Bestromung der Maschine
bewirkt wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wechseln die Schaltelemente
ihre Schaltzustände
gegenläufig
zueinander. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der zugeführte Strom
stets durch die Wicklungen der Maschine fließt, und nicht aufgrund einer
durchgeschalteten Schaltanordnung ein Kurzschluss entsteht. Es können dabei
zudem sogenannte Totzeiten vorgesehen werden, die bei einem Wechsel
des Schaltzustands verhindern, dass das eine Schaltelement durchschaltet,
insbesondere als Transistor leitend wird, bevor das andere Schaltelement öffnet, insbesondere
als Transistor sperrt. Dadurch wird verhindert, dass kurzzeitig
ein Kurzschlussstrom entsteht.
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Bevorzugt
ist die elektrische Maschine ein Wechselstrommotor.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wechselstrommotor
in Sternschaltung ausgebildet ist.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei
zeigen
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1 eine
Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms,
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2 eine
Detailansicht der Vorrichtung gemäß 1,
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3 den
zeitlichen Ablauf der Schaltvorgänge
gemäß dem Stand
der Technik für
eine dreiphasige elektrische Maschine,
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4 den
zeitlichen Ablauf der Schaltvorgänge
für ein
erste Variante eines Verfahrens zur Bestimmung mindestens eines
Phasenstroms, und
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5 den
zeitlichen Ablauf der Schaltvorgänge
für ein
zweite Variante eines Verfahrens zur Bestimmung mindestens eines
Phasenstroms.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung mindestens eines Phasenstroms
IA, IB, IC bei einer elektrischen Maschine 10 mit
einer Maschinensteuervorrichtung 12 aufweisend mehrere
jeweils einer Phase zugeordnete Schaltanordnungen 14 mit jeweils
zwei Schaltelementen 16. Die elektrische Maschine 10 ist
hier als Wechselstrommotor 11 in Sternschaltung ausgebildet.
In jeder Schaltanordnung 14 ist ein Schaltelement 16 als
High-Side-Schaltelement 18 einem positiven Spannungspotential
einer Spannungsquelle 20 zugeordnet und das andere Schaltelement 16 als
Low-Side-Schaltelement 22 einem
negativen Potential der Spannungsquelle 20 zugeordnet.
Parallel zur Spannungsquelle 20 ist ein Elektrolytkondensator 24 geschaltet.
Zwischen dem High-Side-Schaltelement 18 und dem Low-Side-Schaltelement 22 ist
jeweils ein Abzweig 26 angeordnet, an den jeweils eine
Motorwicklung 28 angeschlossen ist. Die Schaltanordnungen 14 werden
von der Maschinensteuervorrichtung 12 mittels Betriebsschaltvorgängen derart
geschaltet, dass zumindest zeitweise mindestens ein Phasenstrom
IA, IB, IC zur Maschine 10 geleitet wird,
um den Betrieb der Maschine 10 zu bewirken. Die Schaltelemente 16 jeder Schaltanordnung 14 werden
dabei gegenläufig
zueinander geschaltet, das heißt
es ist stets eines der Schaltelemente 16 geöffnet, um
das Auftreten eines Kurzschlussstroms durch eine Schaltanordnung 14 zu
verhindern.
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In
der Zusammenführungsleitung 30 ist
ein Messelement 32 einer Messeinrichtung 34 angeordnet.
Das Messelement 32 ist hier als Messwiderstand (Shunt) 36 ausgeführt. Die
Messeinrichtung 34 greift den Spannungsabfall über den
Shunt 36 ab und ermittelt daraus den durch die Zusammenführungsleitung 30 fließenden Strom.
Der Maschinensteuervorrichtung 12 ist eine Beeinflussungsvorrichtung 38 zugeordnet.
Während
die Maschinensteuervorrichtung 12 die den grundsätzlichen
Betrieb der Maschine bewirkenden Betriebsschaltvorgänge steuert
oder regelt, versetzt die Beeinflussungsvorrichtung 38 zur Bestimmung
mindestens eines Phasenstroms IA, IB, IC die Betriebsschaltvorgänge an mindestens
einer Schaltanordnung 14 für mindestens eine Taktperiode der
Betriebsschaltvorgänge
jeweils um ein Zeitintervall. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen,
dass die genannten Komponenten zwar einzeln dargestellt sind, dass
diese aber selbstverständlich
auch teil- beziehungsweise vollintegriert sein können.
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Während des
Betriebs stellt sich das Zusammenspiel zwischen Maschinensteuervorrichtung 12 und
Beeinflussungsvorrichtung 38 wie folgt dar. Die Maschinensteuervorrichtung 12 leitet
Signale, die den gewünschten
Betrieb der elektrischen Maschine 10 bewirken an die Beeinflussungsvorrichtung 38. Entsprechend
der durchzuführenden
Messung versetzt die Beeinflussungsvorrichtung 38 an der
entsprechenden Schaltanordnung 14 beziehungsweise an den
entsprechenden Schaltanordnungen 14 die Betriebsschaltvorgänge. Soll
die Strommessung vorgenommen werden, das heißt der Messschaltvorgang durchgeführt werden,
sendet die Beeinflussungsvorrichtung 38 oder die Maschinensteuervorrichtung 12 ein
Signal an die Messeinrichtung 34 zur Strommessung und/oder
fragt einen ermittelten Strommesswert ab. Wie später noch näher erläutert wird, fließt in der
Zusammenführungsleitung 30 bei der
Strommessung jeweils ein Strom, der einen unmittelbaren Rückschluss
auf einen der Phasenströme
IA, IB, IC ermöglicht.
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Anhand
der 2, die einen Detailausschnitt aus der 1 darstellt,
sollen nun die Betriebsschaltvorgänge näher erläutert werden, die von der Maschinensteuervorrichtung 12 ausgelöst werden.
Die High-Side-Elemente 18 der Schaltelemente 14 sind
hier die Transistoren T1, T3, T5 und die Low-Side-Schaltelemente 22 sind
die Transistoren T2, T4, T6. Ausgehend von einem Zustand, in dem die
Transistoren T1, T3, T5 sperrend und die Transistoren T2, T4, T6
leitend geschaltet sind, das heißt es fließt kein Strom durch die elektrische
Maschine 10, kann beispielsweise folgende Abfolge von Schaltzuständen vorgesehen
sein, wobei jeweils die Schaltzustände der nicht genannten Transistoren
unverändert
bleiben:
S1: T5 leitend und T6 sperrend
S2: T3 leitend
und T4 sperrend
S3: T1 leitend und T2 sperrend
S4: T1
sperrend und T2 leitend
S5: T3 sperrend und T4 leitend
S6:
T5 sperrend und T6 leitend
dann: Wiederholung ab S1
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Da
die Summe aller Ströme
in der elektrischen Maschine 10 null ist, ergibt sich die
Beziehung IA + IB +
IC = 0. Dadurch lassen sich hinsichtlich
der Phasenströme
IA, IB, IC – es
werden nach wie vor nur die Betriebsschaltvorgänge betrachtet – aufgrund des
in der Zusammenführungsleitung 30 fließenden Stroms
IM folgende Rückschlüsse ziehen (wobei die genannte
beispielhafte Abfolge von Schaltzuständen angenommen wird):
S1:
IM = IC
S3:
IM = 0, das heißt keine Aussage möglich
S4:
IM = IB + IC = –IA
S5: IM = IC
S6: IM = 0,
das heißt
keine Aussage möglich.
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Um
das Verständnis
der Erfindung zu erleichtern, insbesondere visuell darzustellen,
werden nun zunächst
die aus dem Stand der Technik bekannten zeitlichen Verläufe der
Schaltzustände
der Transistoren T1 bis T6 als Ausführungsbeispiel in der 3 dargestellt.
Die Abszisse ist eine Zeitachse, und der jeweilige Schaltzustand
ist entlang der Ordinate abzulesen. Dabei bedeutet ein niedriger
Wert (erster Pegel), dass der jeweilige Transistor sperrt, während ein
hoher Wert (zweiter Pegel) ein Leiten des Transistors anzeigt. So
ist der 3 beispielsweise zu entnehmen,
dass während
der ersten Taktperiode P1 nacheinander die Schaltzustände S1,
S2, S3, S4, S5, S6 eingenommen werden. (Ähnlich für die zweite und dritte Taktperiode
P2, P3.) Für
die Erläuterungen
sei angenommen, dass ein Ein- beziehungsweise Abschalten der Transistoren
einer Schaltanordnung 14 tatsächlich zeitgleich erfolgen kann,
ohne einen Kurzschlussstrom auszulösen, das heißt die zuvor
erwähnten
Totzeiten werden hier nicht betrachtet. Selbstverständlich kann
deren Berücksichtigung
in bekannter Weise durch ein Versetzen der jeweiligen Schaltflanken
erfolgen.
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Betrachtet
man nun beispielhaft die erste Taktperiode P1, so kann eine Strommessung
nur zwischen den Schaltzuständen
S1/S2, S2/S3, S4/S5 und S5/S6 stattfinden. Es aber deutlich zu erkennen, dass
die verbleibenden Zeitfenster sehr klein sind. Dies erschwert eine
Strommessung, da zum einen der Messzeitpunkt genau getroffen werden
muss und zum anderen nur ein schlecht eingeschwungener Zustand gegeben
ist.
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Das
Prinzip der Erfindung wird nun im Ausführungsbeispiel der 4 dargestellt.
Auch hier sind die Verläufe
der Schaltzustände
der Transistoren T1 bis T6 zu sehen. Im Vergleich zur ersten Taktperiode
P1 der 3 sind hier nun die Betriebsschaltvorgänge der
Transistoren T3, T4, T5, T6 in der ersten Taktperiode P1 versetzt.
Dabei wurden die Betriebsschaltvorgänge um eine halbe Taktperiode
P1 versetzt beziehungsweise wurden die Betriebsschaltvorgangssignale
um 180° in
ihrer Phase verschoben. Wie bereits im einleitenden Teil der Beschreibung ausgeführt, bleiben
die Betriebsschaltvorgänge
innerhalb der Taktperiode: Beispielsweise bedeutet dies für den dem
Schaltzustand S5 zugeordneten Betriebsschaltvorgang, dass der Teil
der Verschiebung, der über
die Taktperiode P1 hinausgeht, wieder vom Beginn der Taktperiode
P1 abgetragen wurde. Die neue Positionierung der Betriebsschaltvorgänge führt zu einem
vergrößerten Bereich,
nämlich
zwischen S6/S1, in dem nun die Strommessung auf einfache Weise vorgenommen
werden kann. Hier wird zum Zeitpunkt tA der
Phasenstrom IA bestimmt.
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Im
Vergleich zur zweiten Taktperiode P2 der 3 sind hier
nun die Betriebsschaltvorgänge
der Transistoren T1, T2, T5, T6 in der zweiten Taktperiode P2 versetzt.
Dabei wurden die Betriebsschaltvorgänge um eine halbe Taktperiode
P2 versetzt beziehungsweise wurden die Betriebsschaltvorgangssignale
um 180° in
ihrer Phase verschoben. Nun kann wiederum zwischen S6/S1 der Strom
gemessen werden, hier zum Zeitpunkt tB der
Phasenstrom IB. Da der Phasenstrom IA bereits bestimmt wurde und insbesondere
in einer Speichervorrichtung zwischengespeichert wurde, ergibt sich
auch unmittelbar der Phasenstrom IC = –IA–IB.
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Im
Vergleich zur dritten Taktperiode P3 der 3 sind hier,
wie in der ersten Taktperiode P1, die Betriebsschaltvorgänge der
Transistoren T3, T4, T5, T6 in der dritten Taktperiode P3 versetzt.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Erfindung zu realisieren, ist in der 5 dargestellt.
Hier ist zu sehen, dass die Betriebsschaltvorgänge für die Transistoren T1, T2 von
Taktperiode P1, P2, P3 zu Taktperiode P1, P2, P3 wechselnd versetzt
werden (zweite Taktperiode P2) beziehungsweise nicht versetzt werden
(erste und dritte Taktperiode P1, P3). Die Betriebsschaltvorgänge der
Transistoren T3, T4 werden in keiner der Taktperioden P1, P2, P3
versetzt; die Betriebsschaltvorgänge
der Transistoren T5, T6 werden in jeder der Taktperioden P1, P2,
P3 versetzt. Dadurch kann in der ersten und dritten Taktperiode P1,
P3 jeweils zum Zeitpunkt tC der Phasenstrom –IC und in der zweiten Taktperiode P2 der Phasenstrom IB gemessen werden. Der Phasenstrom IA ergibt sich in bekannter Weise zu IA = –IB–IC.