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Die
Erfindung betrifft eine Lüfteranordnung mit erhöhter
Verfügbarkeit, wie sie vorzugsweise zur unterstützenden
Kühlung von Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise in
Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen kann, sowie ein Verfahren zu
ihrem Betrieb.
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Stand der Technik
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Es
ist allgemein üblich, für Kühlgebläse
an Verbrennungskraftmaschinen Elektroantriebe einzusetzen. Diese
Elektroantriebe werden in der Regel über Motorsteuermodule
(FCM oder Fan-Control-Modul) betrieben. Eine veränderliche
pulsweitenmodulierte Spannung (PWM) mit einem variablen Tastverhältnis
(TV) wird benutzt, um die effektiv an einem
als Gleichstrommotor ausgebildeten Elektroantrieb anliegende Spannung
zu verändern, so dass die Drehzahl des elektrischen Antriebes
auf diese Weise beeinflusst werden kann.
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Es
ist bekannt, die Motorsteuermodule auf der Basis von Leistungshalbleitern
aufzubauen. Diese Leistungshalbleiter und weitere zu ihrem Betrieb erforderliche
Bauelemente weisen eine Verlustleistung auf, die von dem Takt einer
anliegenden Spannung bzw. dem Tastverhältnis sowie der
Höhe der anliegenden Spannung abhängt. Aus diesem
Grunde ist es üblich, die Temperatur der Platine, auf der
sich die genannten Bauelemente befinden, zu überwachen
und Maßnahmen zu treffen, um eine kritische Erwärmung
der Platine und der darauf befindlichen Bauelemente zu vermeiden.
Dazu werden üblicherweise Temperaturfühler eingesetzt.
Es ist bekannt, als Temperaturfühler Bauelemente einzusetzen,
die einen negativen Temperaturkoef fizienten aufweisen, sogenannte
NTC-Elemente (negative temperature coefficient).
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Zu
den Maßnahmen, die der Vermeidung von kritischen Temperaturen
im Bereich der Platine eines Motorsteuermoduls dienen, gehört
bekanntermaßen die Überwachung der Platinentemperatur
und ein Abschalten des Antriebes des Lüftergebläses, wenn
eine kritische Temperatur überschritten wird. Dadurch entsteht
zwischen dem Temperaturfühler und den Leistungsbauelementen
auf der Platine eine thermische Kopplung, die dazu führt,
dass bei Erreichen kritischer Temperaturen beispielsweise der Antrieb
eines Gebläses für eine weitere unterstützende Kühlung
des Kühlkreislaufes einer Verbrennungskraftmaschine nicht
mehr zur Verfügung steht.
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Es
ist im Zusammmenhang mit Gebläsesystemen weiterhin bekannt,
die in Motorsteuermodulen verwendeten Leistungshalbleiter bzw. die
zu ihrem Betrieb erforderlichen weiteren elektronischen Bauelemente
so anzusteuern, dass Arbeitspunkte vermieden werden, die erwiesenermaßen
mit einer maximalen Verlustleistung am betreffenden Bauelement verbunden
sind. Beispielsweise weisen verschiedene als Schalter benutzte Halbleiterbauelemente
auf Transistorbasis eine starke Abhängigkeit der Verlustleistung
von einem anliegenden Tastverhältnis der Steuerspannung
auf, was dazu führt, dass bei typischen Schaltfrequenzen
die zum Betrieb von Lüftermotoren erforderlich sind, die
Verlustleistung an derartigen Halbleiterbauelementen maximal wird,
wenn das Tastverhältnis bei etwa 99% des maximal anforderbaren
Tastverhältnisses, also knapp unterhalb des Dauerbetriebes,
liegt. Parallel zu den Leistungshalbleiterbauelementen geschaltete
Kondensatoren zeigen häufig eine grundsätzlich
andere Abhängigkeit der Verlustleistung vom Tastverhältnis,
mit dem das jeweilige Leistungshalbleiterbauelement angesteuert
wird. Diese Kondensatoren zeigen häufig eine maximale Verlustleistung
bei einem Tastverhältnis von etwa 80% des maximal anforderbaren
Tastverhältnisses. Das Verhalten dieser Bauelemente wird
in der Ansteuerung der Leistungsschalter in Kombination mit einer Überwachung
der Platinentemperatur berücksichtigt. Bei Erreichen der
Platinentemperatur, die als kritisch klassifiziert wird, erfolgt
die Festsetzung eines Tastverhältnisses auf einen konstanten
Wert, der sichert, dass die kritischen Tastverhältnisse
mit erhöhter Verlustleistung an den jeweiligen Bauelementen
vermieden werden, bis die Platinentemperatur möglicherweise
wieder unkritische Werte erreicht hat. Erst wenn diese Maßnahme nicht
von Erfolg gekrönt ist, erfolgt wie in herkömmlichen
Motorsteuermodulen die völlige Abschaltung des Gebläses,
bis die Platine wieder Temperaturbereiche erreicht hat, in denen
die Leistungselektronik betriebsbereit ist. Die Festsetzung eines
konstanten Tastverhältnisses führt dazu, dass
die Verfügbarkeit des Gebläses zunächst
nicht völlig verloren geht, bewirkt jedoch, dass in einem
bestimmten Temperaturfenster keine geregelte Anforderung einer Gebläseleistung
mehr erfolgen kann. Bei weiterem Ansteigen der Temperatur kommt
es ebenfalls zum völligen Erliegen der Verfügbarkeit
des Gebläses (
EP 1383232A2 ).
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verfügbarkeit
von Gebläsekühlungen bei kritischen Temperaturbedingungen
gegenüber dem Stand der Technik weiter zu erhöhen.
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Technische Lösung
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Die
Aufgabe wird gelöst mit einer Lüfteranordnung
mit den Merkmalen von Anspruch 1, sowie einem Verfahren zum Betrieb
einer derartigen Lüfteranordnung mit den Merkmalen von
Anspruch 4. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 4 und
5 bis 10 betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, die üblicherweise von
einem Gebläse oder Lüfter abforderbare Leistung
durch eine Lüfteranordnung mit zwei PWM-gesteuerten Motoren
und zwei Lüftern erbringen zu lassen, die wahlweise einzeln
oder parallel betrieben werden können und nach einem Regime angesteuert
werden, welches verhindert, dass einer der Motoren so betrieben
wird, dass an einem der verwendeten Bauelemente, die zur Steuerung
der Motoren erforderlich sind, ein Tastverhältnis anliegt, das
zu einer Verlustleistung führt, die in der Nähe
der maximal möglichen Verlustleistung an diesem Bauelement
liegt. Die zugehörige Platine ist so ausgelegt, dass geringere
Verlustleistungen bei normalen Betriebsbedingungen nicht zu einer
kritischen Erwärmung der Elektronik führen. In
die Festlegung des Ansteuerregimes können Temperaturmesswerte
sowie Prognosen des zu erwartenden Temperaturverlaufes aufgrund
der Kenntnis des thermischen Verhaltens der Steuerung der Motoren,
insbesondere im Bereich der Platine mit Leistungshalbleiterbauelementen,
einfließen, so dass die Lüftersteuerung einen
Zustand anwählt, in dem die Verlustleistung der Elektronik
insgesamt sinkt, bzw. die Überlastung einzelner Elemente
bei Weiterbestehen der Verfügbarkeit der Lüfteranordnung
sowie einer Regelbarkeit der abgegebenen Leistung der Lüfteranordnung
vermieden wird. Eine erfindungsgemäße Lüfteranordnung
umfasst in einer Mindestkonfiguration ein Steuermodul zur Ansteuerung
von zwei Leistungsschaltern, zwei Leistungsschalter, zwei elektrische
Motoren, denen über die Leistungsschalter ihre Betriebsspannung
zugeführt wird, und mindestens einen Temperaturfühler
auf einer Platine, auf der sich die Leistungsschalter befinden,
wobei das Steuermodul über Mittel verfügt, ein
Signal des Temperaturfühlers auszuwerten und unter Berücksichtigung
dieses Signals sowie einer angeforderten Lüfterleistung
die Tastverhältnisse von getakteten Steuerspannungen an
den Leistungsschaltern so einzu stellen, dass sich an keinem Leistungsbauelement
eine einen vorgegebenen Wert übersteigende Verlustleistung
einstellt. Unter Leistungsbauelementen sind dabei alle zumindest
zeitweise unmittelbar in den Betriebsspannungskreis der elektrischen
Motoren einbezogenen Bauelemente zu verstehen, die neben transistorbasierten
Schaltelementen auch Kondensatoren und/oder Freilaufdrosseln umfassen
können.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Auch
bei kritischen Platinentemperaturen, die sich gegebenenfalls durch
ungünstige äußere Bedingungen einstellen
können, besteht eine vollständige Verfügbarkeit
der erfindungsgemäßen Lüfteranordnung,
sowie die Möglichkeit, diese auch geregelt anzusprechen.
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Ausführungsform der
Erfindung
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An
einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher
erläutert. In der einzigen Figur ist ein vereinfachtes
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Lüfteranordnung
in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Diese umfasst ein Steuermodul 1,
welches verschiedene Eingangssignale auswerten und daraus Ausgangssignale
in Form von zwei Steuerspannungen mit separat einstellbarem Tastverhältnis
TV1, TV2 erzeugen kann.
Auf einer Platine 2 befinden sich zwei Leistungsschalter 3, 4,
die im Wesentlichen aus Leistungshalbleiterbauelementen auf Transistorbasis
bestehen. Die vom Steuermodul 1 ausgegebenen Steuerspannungen
liegen an diesen Leistungsschaltern an und schalten entsprechend
ihrem jeweiligen Tastverhältnis TV1,
TV2 über diese Leistungsschalter 3, 4 zwei
Strompfade frei, über die zwei elektrischen Motoren 5, 6 eine
Betriebsspannung zugeführt wird. Die Leistungsschalter 5, 6 umfassen
außerdem mindestens einen Leistungskondensator 7 in
Form eines Elektrolytkondensators in Parallelschaltung, der während
der Schaltvorgänge zur Stabilisierung der Bordspannung
beiträgt.
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Der
erste Motor 5 weist gegenüber dem zweiten Motor 6 eine
um etwa 20% höhere Nennleistung auf.
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Eingangssignale,
die vom Steuermodul 1 ausgewertet werden können,
werden diesem über entsprechende Anschlussmittel zugeleitet.
Ein erstes Eingangssignal PWM liefert Informationen über
eine von der Motorsteuerung des Kraftfahrzeuges angeforderte Lüfterleistung
und liegt als pulsweitenmoduliertes Signal an einem Eingang des
Steuermoduls an. Ein zweites Eingangssignal TNTC liefert
als Ausgangssignal eines auf der Platine 2 angeordneten Temperaturfühlers 8 in
Form eine NTC-Elementes Informationen über die Platinentemperatur.
Weitere Eingangssignale liegen an weiteren Eingängen des Steuermoduls 1 an
und liefern im vorliegenden Ausführungsbeispiel Informationen über
die jeweilige Bordspannung des Kraftfahrzeuges, die gleichzeitig der
geschalteten Betriebsspannung UB der Motoren 5, 6 entspricht,
die Umgebungstemperatur TU im Motorraum
oder außerhalb des Kraftfahrzeuges sowie über
die in der Schaltung anfallende Verlustleistung PV.
All diese Informationen können ohne Anspruch auf Vollständigkeit
in die Berechnung der Tastverhältnisse der Ausgangssignale
einfließen und helfen, Betriebszustände zu vermeiden,
die eine Verfügbarkeit der Lüfteranordnung beeinträchtigen
könnten. In die Strompfade zur Verbindung der Motoren 5, 6 mit
dem Leistungskondensator 7 sind Freilaufkreisdioden 9, 10 integriert.
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Zur
Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zunächst nur auf die Verarbeitung der Eingangssignale
PWM und TNTC eingegangen. Bei Anforderung
einer geringen Lüfterleistung durch die Motorsteuerung
des Kraftfahrzeuges und einer unkritischen Platinentemperatur wird
das eingehende PWM-Signal in eine getaktete Steuerspannung mit einem
Tastverhältnis TV1 umgesetzt, was
dazu führt, dass der erste Motor 5 mit einer Drehzahl
arbeitet, die es ihm ermöglicht, allein die geforderte
Lüfterleistung zu erbringen. Der zweite Motor 6 bleibt
in diesem Betriebszustand ausgeschaltet, was mit TV2 =
0 gleichzusetzen ist. Wird eine höhere Lüfterleistung
an gefordert, wird durch das Steuermodul 1 das Tastverhältnis
TV1 erhöht und die vom ersten Motor 5 abgegebene
Leistung steigt durch die Erhöhung seiner Drehzahl. Bei
einem Tastverhältnis TV1 = 80% wäre
ein Betriebszustand erreicht, in dem am Leistungskondensator 7 dessen
maximale Verlustleistung auftritt. Durch Auswertung des Temperatursignals
TNTC des Temperaturfühlers 8 wird
vom Steuermodul 1 überprüft, ob dieser
Betriebszustand beibehalten werden kann oder ob es zu einer kritischen
Erwärmung der Platine 2 bis auf eine Grenztemperatur T1 kommt. Zeigt die Platinentemperatur unkritische Werte,
kann vom Steuermodul 1 das Tastverhältnis TV1 weiter erhöht werden, um die Leistungsabgabe des
ersten Motors 5 durch eine Drehzahlerhöhung weiter
zu steigern. Zeigt sich am Eingangssignal TNTC,
dass die Platinentemperatur die Grenztemperatur T1 erreicht
hat, so wird die Leistung des ersten Motors 5 durch Verringerung
von TV1 zurückgenommen und der
zweite Motor 6 zusätzlich angesteuert, wodurch
beide Motoren 5, 6 mit relativ geringer Leistung
arbeiten und TV1 und TV2 so
eingestellt sind, dass alle Leistungsbauelemente 3, 4, 7 an
Arbeitspunkten betrieben werden, an denen eine Verlustleistung auftritt,
die deutlich unter der an diesen Leistungsbauelementen 3, 4, 7 möglichen
maximalen Verlustleistung liegt. Das Steuermodul 1 steuert
die beiden Tastverhältnisse TV1 und
TV2 so, dass die von den Motoren 5, 6 abgegebene
Leistung in Summe der angeforderten Lüfterleistung entspricht.
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Steigt
die angeforderte Lüfterleistung weiter, kann irgendwann
der Zustand erreicht werden, dass sich bei einer gleichmäßigen
Ansteuerung der Motoren 5, 6 und einer angeforderten
Lüfterleistung von 80% jeweils ein Tastverhältnis
TV1, TV2 zur Ansteuerung
der Leistungsschalter 3, 4 von ebenfalls 80% ergeben
würde. Wie bereits ausgeführt, weist bei einem
derartigen Tastverhältnis der Kondensator 7 seine
maximale Verlustleistung auf. Somit kann es im Bereich des Kondensators 7 und
der gesamten Platine 2 zu einer Erhöhung der Temperatur
kommen, die über den Temperaturfühler 8 an
das Steuermodul 1 übermittelt wird. Bei Erreichen
einer zweiten Grenztemperatur T2 erfolgt
erfindungsgemäß eine Anhebung des Tastverhältnisses
TV1 zur Ansteuerung des Leistungsschalters 3 auf
ein modifiziertes konstantes Tastverhältnis TV1',
während gleichzeitig das Tastverhältnis TV2 zur Ansteuerung des Leistungsschalters 4 in
einer Weise abgesenkt wird, dass die Gesamtleistung der Lüfteranordnung
nach wie vor der abgeforderten Lüfterleistung entspricht.
Im Steuermodul 1 eingehende Leistungsanforderungen fließen
in diesem Zustand in die Regelung des zweiten Motors 6 über
das Tastverhältnis TV2 ein, während
der erste Motor 5 mit dem Tastverhältnis TV1', in der Regel 100%, also dem maximal möglichen
Tastverhältnis, welches einen Dauerbetrieb des Motors 5 mit
maximaler Drehzahl bewirkt, betrieben wird. In einer besonders einfachen
Alternative werden nach Überschreiten der zweiten Grenztemperatur
T2 beide Motoren 5, 6 ungeregelt
betrieben, beispielsweise indem ein Motor 5 auf ein maximales
Tastverhältnis TV1'max gelegt
wird, während der zweite Motor 6 mit einem deutlich
verringertem konstanten Tastverhältnis TV2'
und damit einer deutlich verringerten Verlustleistung an den Leistungsbauelementen 4 und 7 betrieben
wird, wenn so die Gewährleistung einer ausreichend großen
Lüfterleistung des Gesamtsystems gegeben ist. Im vorliegenden
Beispiel gilt T1 = T2.
Gegebenenfalls kann auch die Verlustleistung, die auf der Platine 2 abfällt, über
eine Diagnoseleitung an das Steuermodul 1 rückgemeldet
werden und als Eingangssignal PV in die
Berechnung des Steuerregimes einbezogen werden. Eine Daueransteuerung, also
ein Tastverhältnis von 100%, eines Motors 5 oder 6 oder
beider Motoren 5, 6 vermindert die Verlustleistung
in der jeweiligen geschalteten Leistungsendstufe, da für
Leistungshalbleiter kritische Tastverhältnisse von 99%
und für den Kondensator 7 kritische Tastverhältnisse
um 80% gleichermaßen vermieden werden, und erhöht
durch die maximale Lüfterleistung zugleich die Wärmeableitung
durch Konvektion, wodurch ein schnelles Unterschreiten von T1 und/oder T2 und
eine Rückkehr zum ursprünglichen Betriebsmodus
ermöglicht wird.
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Solange
nur ein Motor 5, 6 mit einem festen oder maximalen
Tastverhältnis TV1', TV2' betrieben wird, kann der andere Motor 6, 5 nach
wie vor mit einem variablen Tastverhältnis TV2,
TV1 angesteuert werden, wodurch eine Regelung
der abgegebenen Lüfterleistung der Lüfteranordnung
entsprechend der angeforderten Lüfterleistung möglich
bleibt. Erst wenn die angeforderte Lüfterleistung noch
weiter steigt und sich trotz des maximalen Tastverhältnisses TV1'max oder TV2'max eine
kritische Grenztemperatur T2 auf der Platine
einstellt, kann auf die Regelbarkeit der Lüfterleistung
verzichtet werden und beide Motoren 5, 6 mit einem
konstanten Tastverhältnis TV1'max und TV2'max angesteuert werden, was dem Anlegen eines ungetakteten
Gleichstromes entspricht und beide Motoren 5, 6 mit
maximaler Drehzahl laufen lässt, wodurch gleichzeitig die
maximal zur Verfügung stehende Lüfterleistung
der Lüfteranordnung abgegeben wird. Kommt es in diesem
Betriebszustand noch immer nicht zum Unterschreiten der Grenztemperatur
T2 auf der Platine, so erfolgt ein Dauerbetrieb
der Lüfteranordnung in einem ungeregelten Betriebsmodus
unter weiterer Überwachung der Platinentemperatur über
das Signal TNTC. Steigt die Platinentemperatur
weiter, was durch extrem ungünstige Umgebungsbedingungen
der Fall sein kann, so erfolgt bei Erreichen einer weiteren Grenztemperatur
T3 eine Abschaltung beider Motoren 5, 6,
indem die Tastverhältnisse TV1,
TV2 auf Null gesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße
Aufteilung der abzugebenden Lüfterleistung auf zwei separat
betreibbare Motoren 5, 6 ergibt sich die Möglichkeit,
bei normalen Betriebsbedingungen die angeforderte Lüfterleistung
im wesentlichen von einem Motor 5 erbringen zu lassen. Wird
dieser Motor 5 ähnlich dimensioniert wie in vergleichbaren
Lüftersystemen mit nur einem Motor, dann ergibt sich ein
mit dem Verbrauch herkömmlicher Lüftersysteme
vergleichbarer Energieverbrauch. Die erfindungsgemäße
Lüfteranordnung verfügt jedoch durch den zweiten
Motor 6 über erhebliche Leistungsreserven, weshalb
ein kritischer Betriebszustand, der bei Erreichen der Grenztemperatur
T4 zum Abschalten der Lüfteranordnung
führt, wesentlich seltener erreicht wird, als das bei herkömmlichen
Lüfteranord nungen der Fall war. Damit ist eine deutliche
Erhöhung der Verfügbarkeit der Lüfteranordnung
erreicht, ohne den Energiebedarf der Lüfteranordnung wesentlich
zu vergrößern. Gleichzeitig ist bei parallelem
Betrieb beider Motoren 5, 6 eine geregelte Abgabe
einer angeforderten Lüfterleistung bis zu wesentlich höheren
Leistungen und bei Temperaturbedingungen möglich, die in
herkömmlichen Systemen lediglich einen ungeregelten Dauerbetrieb
gestatten. Durch die asymmetrische Auslegung der Motoren 5, 6 kann
erreicht werden, dass sich der größere Motor 5 in
einem weiten Bereich unterschiedlicher Betriebsbedingungen ansteuern
lässt, wie ein herkömmlicher Motor in Lüftersystemen
mit einem Motor. Beispielsweise kann unterhalb einer relativ niedrigen
Grenztemperatur T4 und/oder unterhalb einer festgelegten
Lüfterleistung automatisch nur ein Motor 5 betrieben
werden. Des weiteren ergibt sich beim Betrieb des größeren
Motors 5 mit Dauerstrom durch den insgesamt kleineren Leistungsanteil
des Motors 6 ein besonders weiter Leistungsbereich, in
dem eine geregelte Abgabe der angeforderten Lüfterleistung durch
die erfindungsgemäße Lüfteranordnung
möglich ist.
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Alternativ
zum beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Lüfteranordnung
auch durch Parallelbetrieb beider Motoren 5, 6 bei
geringen angeforderten Lüfterleistungen und/oder Platinentemperaturen
besonders schonend betrieben werden, indem ein Steuerregime gewählt
wird, das beispielsweise die Platinentemperatur minimiert. In beiden
Varianten können Informationen über die Umgebungstemperatur
TU, die zur Verfügung stehenden
Betriebsspannung UB, die Verlustleistung
PV und andere zur Verfügung stehende
Parameter in die Festlegung der jeweiligen Tastverhältnisse
TV1, TV2 einbezogen
werden, da diese Informationen in der Regel eine Prognose des thermischen
Verhaltens der Platine 2 ermöglichen, wodurch
beispielsweise kurzzeitige Überschreitungen von Grenztemperaturen
als nicht qualifizierte Überschreitungen erkannt und ignoriert
werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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