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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ausgabe eines Schaltsignals
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, wie diese aus der
DE 101 54 158 A1 bekannt ist.
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Schaltungsanordnungen
im Bereich der Sicherheitstechnik können von optischen Sensoren
wie Lichtgittern, scannenden Distanzsensoren oder dergleichen gebildet
sein, mittels derer ein Gefahrenbereich an einer Maschine oder Anlage überwacht
wird. In einem derartigen Sensor wird ein binäres Schaltsignal generiert,
dessen Schaltzustände
angeben, ob sich ein Objekt im Gefahrenbereich befindet oder nicht.
Befindet sich kein Objekt im Gefahrenbereich, liegt kein Gefahrenzustand
vor. Entsprechend wird über
das Schaltsignal in diesem Fall die Maschine oder Anlage in Betrieb
gesetzt. Befindet sich ein Objekt im Gefahrenbereich, liegt ein
Gefahrenzustand vor. Entsprechend wird über das Schaltsignal in diesem
Fall die Maschine oder Anlage außer Betrieb gesetzt.
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Derartige
Geräte,
insbesondere Sensoren, weisen Ausgangsschaltungen bildende Schaltungsanordnungen
auf, über
welche das Schaltsignal an eine externe Last wie beispielsweise
ein Schütz
oder eine Steuerung ausgibt, mittels derer dann die betreffende
Maschine oder Anlage gesteuert wird.
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Um
die Geräte
der Sensoren in dem Bereich der Sicherheitstechnik einsetzen zu
können,
müssen diese
eine dem geforderten Sicherheitsniveau entsprechende Fehlersicherheit
aufweisen.
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Hierzu
weisen die Schaltungsanordnungen einen zweikanaligen Aufbau auf.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise in der
DE 10 2005 050 979
A1 beschrieben. Derartige Schaltungsanordnungen weisen
zwei Schaltausgänge
zur Ausgabe des Schaltsignals auf. Dabei ist jedem Schaltausgang
jeweils ein separater Low-Side-Treiber und High-Side-Treiber zugeordnet.
Mit einem Low-Side-Treiber und High-Side-Treiber werden für den jeweiligen
Schaltausgang die Schaltzustände
des Schaltsignals generiert. Der Low-Side-Treiber schaltet den jeweiligen
Schaltausgang gegen Massepotential, der High-Side-Treiber schaltet
diesen Schaltausgang auf ein Bezugspotential, insbesondere auf Versorgungspotential.
Der Low-Side-Treiber und der High-Side-Treiber für den ersten Schaltausgang
werden von einer ersten Rechnereinheit gesteuert, der Low-Side-Treiber
und der High-Side-Treiber für
den zweiten Schaltausgang werden von einer zweiten Rechnereinheit
gesteuert. Durch eine zyklische Testung beider Kanäle dieser
zweikanaligen Schaltungsanordnung können die Anforderungen für deren
Einsatz im Bereich der Sicherheitstechnik erfüllt werden. Nachteilig hierbei
ist jedoch der relativ komplexe Aufbau einer solchen Schaltungsanordnung.
Dadurch bedingt ist auch die Testung der Schaltungsanordnung entsprechend
aufwendig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine für den Bereich der Sicherheitstechnik
geeignete Schaltungsanordnung bereitzustellen, welche einen möglichst
einfachen Aufbau aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
dient zur Ausgabe eines Schaltsignals und umfasst zwei das Schaltsignal
führende
Schaltausgänge.
Zur Vorgabe der Schaltzustände
des Schaltsignals ist jedem Schaltausgang ein separater High-Side-Treiber
zugeordnet, mittels dessen der jeweilige Schaltausgang auf ein Bezugspotential
schaltbar ist. Beiden Schaltausgängen
ist ein Low-Side-Treiber
zugeordnet, mittels dessen die Schaltausgänge auf Massepotential schaltbar
sind.
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Da
bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
nur ein Low-Side-Treiber vorgesehen ist, welcher beiden Schaltausgängen zugeordnet
ist, kann der Schaltungsaufwand zur Realisierung einer zweikanaligen,
für den
Bereich der Sicherheitstechnik einsetzbaren Schaltungsanordnung
signifikant reduziert werden.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht
darin, dass durch die Verwendung des Low-Side-Treibers zur Testung
beider Kanäle
der Schaltungsanordnung auch der Aufwand für die Fehlerkontrolle der Schaltungsanordnung,
welche für
deren Einsatz im Bereich der Sicherheitstechnik notwendig ist, reduziert
werden kann.
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Gegenüber bekannten
Schaltungsanordnungen, bei welchen für jeden Schaltausgang ein separater
High-Side-Treiber und ein separater Low-Side-Treiber vorgesehen
ist, wird somit eine Vereinfachung des schaltungstechnischen Aufbaus
als auch eine Vereinfachung hinsichtlich der Signale der Signalauswertungen
erzielt, ohne dass hierdurch die Fehlersicherheit der Schaltungsanordnung
beeinträchtigt
wird.
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Die
Ansteuerung der von dem Low-Side-Treiber und dem High-Side-Treiber
gebildeten Schaltmitteln zur Generierung der Schaltzustände des
auf den Schaltausgängen übertragenen
Schaltsignale erfolgt entsprechend der Zweikanaligkeit der Schaltungsanordnung über zwei
Rechnereinheiten.
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Erfindungsgemäß steuert
jeweils eine Rechnereinheit einen High-Side-Treiber. Hinsichtlich
der Ansteuerung des Low-Side-Treibers stehen mehrere Varianten zur
Verfügung.
Der Low-Side-Treiber kann einerseits nur von einer der Rechnereinheit
angesteuert werden. Andererseits kann der Low-Side-Treiber auch
von beiden Rechnereinheiten angesteuert werden.
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In
beiden Fällen
kann die vorzugsweise zyklische Testung beider Kanäle dadurch
vorgenommen werden, dass innerhalb eines Testzyklus der Low-Side-Treiber kurzzeitig
umgeschaltet wird. Im Vergleich zu bekannten Schaltungsanordnungen,
bei welchen zwei Low-Side-Treiber vorgesehen sind, die zur Durchführung der
Testung umgeschaltet werden müssen,
wird eine erhebliche Vereinfachung des Testablaufs erhalten.
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Die
bei der Testung vorgenommene Umschaltung des Low-Side-Treibers erfolgt
generell so kurzzeitig, dass die Betriebszustände von an die Schaltausgänge angeschlossenen
Lasten nicht verändert
werden, das heißt
die Testung erfolgt neutral gegenüber den angeschlossenen Lasten.
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Besonders
vorteilhaft erfolgt die Testung derart, dass als Antwort auf die
Umschaltung des Low-Side-Treibers über Meldeleitungen Messsignale in
die Rechnereinheit zurück
gelesen werden. Dabei werden die analogen Messsignale über Analog-Digital-Wandler
in die Rechnereinheit eingelesen, so dass dort deren komplette zeitliche
Verläufe
zur Fehlerkontrolle ausgewertet werden können. Die Fehlerkontrolle erfolgt
dabei derart, dass die Messsignalkurven mit Sollsignalkurven verglichen
werden. Da bei der Testung nicht nur einzelne Messpunkte sondern
die kompletten Messsignalverläufe
in den Rechnereinheiten ausgewertet werden, können verschiedene Fehlerbilder
voneinander unterschieden werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind in den Meldeleitungen,
die zu den Rechnereinheiten führen,
Schaltungen bestehend aus einer Diode und einer Konstantstromquelle
vorgesehen. Damit wird erreicht, dass die Messsignale, zumindest für den fehlerfreien
Fall, weitgehend unabhängig
von den an die Schaltausgänge
angeschlossenen Lasten sind. Dadurch wird erreicht, dass die Fehleranalyse in
den Rechnereinheiten mit einfachen Auswerteroutinen erfolgen kann.
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Die
Anzahl der Meldeleitungen wird zweckmäßig in Abhängigkeit der Hardwarestruktur
der Schaltungsanordnungen so gewählt,
dass mit den über
die Meldeleitungen übertragenen
Messsignalen eine hinreichende Überprüfung der
Schaltungsanordnungen vorgenommen werden kann.
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So
sind für
den Fall, dass dauerhaft kurzschlussfeste High-Side-Treiber eingesetzt
werden, zwei Lowside-Meldeleitungen, über welche Spannungssignale
als Messsignale beider Kanäle
der Schaltungsanordnung in die Rechnereinheiten übertragen werden, zur Testung
der Schaltungsanordnung ausreichend.
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Für den Fall,
dass nur kurzzeitig kurzschlussfeste High-Side-Treiber eingesetzt
werden, sind vorteilhaft zusätzlich
zu den Lowside-Meldeleitungen auch Highside-Meldeleitungen vorgesehen, über welche
Stromsignale zur Aufdeckung von Kurzschlüssen und damit zum Schutz der
High-Side-Treiber in die Rechnereinheit übertragen werden.
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Weiterhin
ist vorteilhaft durch eine geeignete Hardware die Sicherheit der
Schaltungsanordnung erhöht.
Insbesondere ist hierzu der Low-Side-Treiber jeweils über eine
Diode an die beiden Schaltausgänge
angeschlossen. Die beiden Dioden entkoppeln die beiden Schaltausgänge voneinander,
um so auf beide Schaltausgänge
gemeinsam wirkende Fehler, sogenannte Common Mode Fehler, zu verhindern.
Weiterhin kann durch geeignete Ableitungsmechanismen über den
Low-Side-Treiber beziehungsweise über die High-Side-Treiber die
erforderliche EMV-Sicherheit der Schaltungsanordnung gewährleistet werden.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Erstes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung zur Ausgabe eines Schaltsignals.
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2:
Zweites Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung zur Ausgabe eines Schaltsignals.
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3:
Variante der Schaltungsanordnung gemäß 1.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung 1 zur Ausgabe eines Schaltsignals an
nicht gesondert dargestellte externe Lasten. Die Schaltungsanordnung 1 ist
Bestandteil eines in der Sicherheitstechnik einsetzbaren Gerätes, insbesondere
eines optischen Sensors zur Überwachung
eines Gefahrenbereichs an einer Maschine oder dergleichen. In diesem
Fall wird mit dem Sensor überwacht,
ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich
befindet oder nicht. In Abhängigkeit
hiervon wird das binäre
Schaltsignal generiert, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt
im Überwachungsbereich
befindet oder nicht. Zur Vermeidung von Gefährdungen von Personen wird
die Maschine außer
Betrieb gesetzt, falls sich ein Objekt im Gefahrenbereich befindet.
Die Maschine wird dagegen in Betrieb gesetzt, wenn sich kein Objekt
im Gefahrenbereich befindet. Hierzu wird das Schaltsignal an die
externen Lasten ausgegeben, welche dann die Maschine entsprechend
ansteuern. Die Lasten können
jeweils von einem Schütz,
von einer Steuerung oder dergleichen gebildet sein. Für den Fall,
dass eine Last von einem Schütz
gebildet ist, sind dessen Betriebszustände „Schütz angenommen oder abgefallen" durch den Schaltzustand
des Schaltsignals vorgegeben.
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Die
Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 weist
einen zweikanaligen Aufbau auf. Dementsprechend weist die Schaltungsanordnung 1 zwei
jeweils eine Leitung 2a, 2b aufweisende Schaltausgänge auf, über welche
jeweils das Schaltsignal an die externe Last ausgegeben wird.
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Die
Schaltungsanordnung 1 weist als weitere Komponenten zwei
Rechnereinheiten 3a, 3b auf. Die Rechnereinheiten 3a, 3b können jeweils
von einen einem digitalen Signalprozessor oder einem Microcontroller
gebildet sein. Über
Da tenleitungen 4 erfolgt eine gegenseitige Überwachung
der beiden Rechnereinheiten 3a, 3b.
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Zur
Generierung der Schaltzustände
des binären
Schaltsignals auf den Leitungen 3a, 3b ist jedem
Schaltausgang ein High-Side-Treiber 5a, 5b zugeordnet.
Weiterhin ist ein Low-Side-Treiber 6 beiden Schaltausgängen zugeordnet.
Die High-Side-Treiber 5a, 5b und der Low-Side-Treiber 6 bestehen
jeweils aus Halbleiterschaltern, insbesondere Transistoren. Die
High-Side-Treiber 5a, 5b und zweckmäßig auch der
Low-Side-Treiber 6 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als dauerhaft kurzschlussfeste Schaltelemente ausgeführt. Zur
Generierung der Schaltzustände
kann mittels der High-Side-Treiber 5a, 5b der jeweilige
Schaltausgang auf ein Bezugspotential, im vorliegenden Fall auf
Versorgungsspannung Vcc geschaltet werden.
Durch den Low-Side-Treiber 6 können beide Schaltausgänge auf
Massepotential geschaltet werden.
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Zur
Generierung eines ersten Schaltzustands des über die Schaltausgänge übertragenen Schaltsignals
werden die Schaltausgänge
durch Schließen
der High-Side-Treiber 5a, 5b auf
Versorgungsspannung geschaltet, wobei dann der Low-Side-Treiber 6 geöffnet ist.
Zur Generierung des zweiten Schaltzustandes werden die Leitungen 2a, 2b durch
Schließen
des Low-Side-Treibers 6 auf Massepotential gezogen, wobei
dann die High-Side-Treiber 5a, 5b geöffnet sind.
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Hierzu
wird der erste High-Side-Treiber 5a über eine Zuleitung 7a von
der ersten Rechnereinheit 3a angesteuert. Entsprechend
wird der zweite High-Side-Treiber 5b über eine
Zuleitung 7b von der zweiten Rechnereinheit 3b angesteuert.
Der Low-Side-Treiber 6 kann von der ersten Rechnereinheit 3a und/oder
der zweiten Rechnereinheit 3b angesteuert werden. Hierzu
sind Zuleitungen 8a, 8b vorgesehen.
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Der
Low-Side-Treiber 6 ist jeweils über eine Diode 9a, 9b an
den jeweiligen Schaltausgang angeschlossen. Die beiden Dioden 9a, 9b entkoppeln
die Schaltausgänge
voneinander, wodurch Common Mode Fehler verhindert werden.
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Zur
Erfüllung
der Anforderungen für
den Einsatz im Bereich der Sicherheitstechnik wird für die Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 zyklisch
eine Fehlerkontrolle derart durchgeführt, dass sich hierdurch der
Betriebszustand der angeschlossenen Lasten nicht ändert.
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Die
Fehlerkontrolle wird über
die Rechnereinheiten 3a, 3b gesteuert. Innerhalb
eines Testzyklus wird dabei generell ein Messsignal als Antwort
auf ein Umschalten der Schaltmittel der Schaltungsanordnung 1 ausgewertet.
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Zur
Testung der Schaltungsanordnung 1 wird der Low-Side-Treiber 6 verwendet.
Dabei wird zu Beginn eines Testzyklus der Low-Side-Treiber 6 so kurzzeitig
umgeschaltet, dass der Betriebszustand der an die Schaltausgänge angeschlossenen
Lasten erhalten bleibt. Auf dieses Umschalten generierte Messsignale
werden über
Meldeleitungen, im vorliegenden Fall für jeden Kanal der Schaltungsanordnung 1 eine
Lowside-Meldeleitung 10a, 10b, in die Rechnereinheiten 3a, 3b zurückgelesen.
Das Messsignal für
den ersten Schaltausgang wird über
eine Lowside-Meldeleitung 10a in die erste Rechnereinheit 3a eingelesen.
Das als analoge Spannungssignale Messsignal wird über einen
Widerstand 11a der Rechnereinheit 3a zugeführt. Dabei
wird das Messsignal über
einen in der Rechnereinheit 3a integrierten Analog-Digital-Wandler
eingelesen. Entsprechend ist in der zweiten Lowside-Meldeleitung 10b ein
Widerstand 11b vorgesehen. Über die zweite Lowside-Meldeleitung 10b erfolgt
das Einlesen des Messsignals für
den zweiten Schaltausgang in die zweite Rechnereinheit 3b,
wobei in dieser hierfür
ebenfalls ein Analog-Digital-Wandler integriert ist.
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Die
Aufdeckung von Fehlern in den Rechnereinheiten 3a, 3b erfolgt
dadurch, dass die Messsignalkurven mit in den Rechnereinheiten 3a, 3b abgespeicherten
Sollsignalkurven, die den fehlerfreien Betrieb der Schaltungsanordnung 1 charakterisieren, verglichen
werden.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
zweikanaligen Schaltungsanordnung 1 zur Ausgabe einer Schaltungsanordnung 1.
Der Aufbau der Schal tungsanordnung 1 gemäß 2 entspricht weitgehend
der Ausführungsform
gemäß 1.
Im Unterschied zur Ausführungsform
gemäß 1 sind die
High-Side-Treiber 5a, 5b gemäß der Schaltungsanordnung 1 gemäß 2 nur
kurzzeitig kurzschlusssicher ausgebildet. Um eventuelle Kurzschlüsse rechtzeitig
erkennen zu können
und so die High-Side-Treiber 5a, 5b gegen Beschädigungen schützen zu
können,
sind bei der Schaltungsanordnung 1 gemäß 2 zusätzlich zu
den Lowside-Meldeleitungen 10a, 10b zwei Highside-Meldeleitungen 12a, 12b vorgesehen, über welche
bei der zyklischen Testung der Schaltungsanordnung 1, die
wiederum durch ein Umschalten des Low-Side-Treibers 6 vorgenommen
wird, weitere Messsignale generiert werden und in die Rechnereinheiten 3a, 3b über dort
integrierte Analog-Digital-Wandler eingelesen werden.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist der Ausgang jedes High-Side-Treibers 5a, 5b über einen
Widerstand 13a, 13b auf Versorgungsspannung geführt, wobei
dort jeweils die Highside-Meldeleitungen 12a, 12b abzweigt.
Die dem ersten Schaltausgang zugeordnete Highside-Meldeleitung 12a ist
auf die erste Rechnereinheit 3a geführt. Die dem zweiten Schaltausgang
zugeordnete Highside-Meldeleitung 12b ist auf
die zweite Rechnereinheit 3b geführt. Die über die Highside-Meldeleitungen 12a, 12b übertragenen Messsignale
bilden Stromsignale mittels der die High-Side-Treiber 5a, 5b auf
Auftreten von Kurzschlüssen überwacht
werden können.
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3 zeigt
eine Variante der Ausführungsform
gemäß 1.
In den Lowside-Meldeleitungen 10a, 10b sind in
diesem Fall als zusätzliche
Schaltungskomponenten eine Konstantstromquelle 14a, 14b und
eine Diode 15a, 15b vorgesehen. Die der ersten
Lowside-Meldeleitung 10a zugeordnete Konstantstromquelle 14a wird über eine
Zuleitung 16a von der Rechnereinheit 3a angesteuert.
Die der zweiten Lowside-Meldeleitung 10b zugeordnete Konstantstromquelle 14b wird über eine
Zuleitung 16b von der zweiten Rechnereinheit 3b angesteuert.
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Während eines
Testzyklus, zu dessen Beginn der Low-Side-Treiber 6 umgeschaltet
wird, werden die Konstantstromquellen 14a, 14b von
den Rechnereinheiten 3a, 3b eingeschaltet. Die
Konstantstromquelle 14a, 14b mit der Diode 15a, 15b sorgt
dafür,
dass die über
die Lowside-Meldeleitungen 10a, 10b übertragenen
Messsignale, zumindest in fehlerfreiem Fall weitgehend unabhängig von
den an den Schaltausgängen
angeschlossenen Lasten sind. Damit werden universelle, von den Lasten
weitgehend unabhängige
Messsignalkurven erhalten, die durch einfache Auswerteroutinen in
den Rechnereinheiten 3a, 3b zur Aufdeckung von
Fehlern ausgewertet werden können.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2a
- Leitung
- 2b
- Leitung
- 3a
- Rechnereinheit
- 3b
- Rechnereinheit
- 4
- Datenleitungen
- 5a
- High-Side-Treiber
- 5b
- High-Side-Treiber
- 6
- Low-Side-Treiber
- 7a
- Zuleitung
- 7b
- Zuleitung
- 8a
- Zuleitung
- 8b
- Zuleitung
- 9a
- Diode
- 9b
- Diode
- 10a
- Lowside-Meldeleitung
- 10b
- Lowside-Meldeleitung
- 11a
- Widerstand
- 11b
- Widerstand
- 12a
- Highside-Meldeleitung
- 12b
- Highside-Meldeleitung
- 13a
- Widerstand
- 13b
- Widerstand
- 14a
- Konstantstromquelle
- 14b
- Konstantstromquelle
- 15a
- Diode
- 15b
- Diode
- 16a
- Zuleitung
- 16b
- Zuleitung