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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung,
insbesondere Schaltungsanordnung eines Magnetventils, mit mindestens
zwei parallel geschalteten Stromzweigen, die über eine erste Anschlussleitung
und eine zweite Anschlussleitung mit einer Spannungsquelle, insbesondere
Gleichspannungsquelle, elektrisch verbunden sind, wobei in einem
Stromzweig ein kapazitives elektrisches Bauteil mit einem bekannten
Spannungsverhalten und in dem anderen Stromzweig ein induktives
elektrisches Bauelement, insbesondere eine elektrische Spule, angeordnet
ist, wobei mittels eines in dem anderen Stromzweig in Reihe geschalteten
Schaltelements das induktive Bauelement angesteuert wird.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung, insbesondere für das vorstehende
Verfahren, mit mindestens zwei parallel geschalteten Stromzweigen,
die über
eine erste Anschlussleitung und eine zweite Anschlussleitung mit
einer Spannungsquelle, insbesondere Gleichspannungsquelle, elektrisch
verbunden sind, wobei in einem Stromzweig ein kapazitives elektrisches
Bauteil mit einem bekannten Spannungsverhalten und in dem anderen Stromzweig
ein induktives elektrisches Bauelement, insbesondere eine elektrische
Spule, sowie ein Schaltelement zur Ansteuerung des induktiven Bauelements
in Reihe geschaltet sind.
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Stand der Technik
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Verfahren
und Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art sind bekannt.
Magnetventile, beispielsweise, enthalten eine Schaltungsanordnung,
die zwei parallel geschalteten Stromzweige aufweisen, die über eine
erste Anschlussleitung und eine zweite Anschlussleitung mit einer
Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden sind, wobei in dem einen Stromzweig
ein kapazitives Bauteil, beispielsweise ein Kondensator, und in
dem anderen Stromzweig eine elektrische (Magnet-) Spule zum Betätigen eines
Ventils und ein Schaltelement zum Ansteuern der Spule seriell geschaltet
angeordnet sind. Wobei das Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils
bekannt ist. Wird das Schaltelement entsprechend betätigt, so
wird die Spule mit Strom versorgt (bestromt), wobei ein Magnetisches
Feld aufgebaut wird, welches beispielsweise auf einen Magnetanker einwirkt,
der fest an einem Betätigungselement
des Magnetventils angeordnet ist. Dadurch wird das Magnetventil
geöffnet
oder geschlossen. Derartige Magnetventile werden beispielsweise
bei Sicherheitssystem von Kraftfahrzeugen, wie zum Beispiel Antiblockier-System
(ABS) und/oder Elektronisches-Stabilitäts-System (ESP), verwendet.
Hierbei muss die Funktion des Magnetventils beziehungsweise des Schaltungsanordnung
des Magnetventils dauerhaft gewährleistet
sein. Ist beispielsweise das Schaltelement defekt oder liegt ein
Kurzschluss in der Spule vor, so dass ein ein Auslassventil des
Bremssystems bildendes Magnetventil fehlbestromt beziehungsweise
geöffnet
ist, fließt
Bremsflüssigkeit
bei einem Bremsvorgang direkt in eine Speicherkammer und steht damit
nicht zum Druckaufbau an den Radbremsen zur Verfügung.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass zum Ermitteln einer Fehlbestromung des induktiven Bauteils
zunächst
eine der Anschlussleitungen mittels eines zweiten Schaltelements
unterbrochen und anschließend
die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlussleitung
erfasst und mit dem bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven
Bauteils verglichen wird. Eine Fehlbestromung liegt vor, wenn durch
die elektrische Spule Strom fließt, obwohl das die Spule ansteuernde
erste Schaltelement nicht durchgeschaltet ist. Zweckmäßigerweise
wird das Verfahren daher durchgeführt, wenn das erste Schaltelement
geöffnet
ist. Liegt keine Fehlbestromung vor, so sinkt die Spannung gepuffert
durch das kapazitive Bauteil nur langsam ab. Die Zeitkonstante ist
dabei abhängig
von dem genauen Schaltungsaufbau. Ohne Last ist sie im Idealfall
unendlich, durch einen oder mehrere entsprechend zusätzlich vorgesehene
Widerstände,
bei einer geeigneten Dimensionierung, immer noch relativ groß. Auch
ist es denkbar die Schaltungsanordnung derart zu dimensionieren, dass
auch ein Ansteigen der Spannung nach dem Unterbrechen der Anschlussleitung
möglich
ist. Für den
Fall, dass eine Fehlbestromung vorliegt, beziehungsweise dass ungewollt
Strom durch die Spule fließt,
ist die Spule nach dem Unterbrechen der Anschlussleitung stromdurchflossen,
da der Abbau des magnetischen Feldes beziehungsweise Flusses einen
fortgesetzten Stromfluss erfordert. Dieser Strom wird über das
kapazitive Bauteil gespeist, wodurch die Spannung zwischen der ersten
und der zweiten Anschlussleitung schneller Absinkt, als bei nicht
bestromter Spule. Somit lässt
sich durch den Vergleich der Spannung mit dem bekannten Spannungsverhalten
des kapazitiven Bauteils erkennen, ob eine Fehlbestromung der Spule
vorliegt. Vorteilhafterweise wird bei einer erkannten Fehlbestromung
ein Warnsignal visuell oder akustisch ausgegeben. Darüber hinaus
bleibt das zweite Schaltelement vorteilhafterweise geöffnet.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Spannung
in einem vorgebbaren Zeitpunkt, zweckmäßigerweise kurz nach dem Unterbrechen
der Anschlussleitung erfasst. Durch einen einfachen Vergleich mit
dem bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils zu einem
entsprechenden Zeitpunkt kann auf einfache Art und Weise auf eine
Fehlbestromung geschlossen werden. Vorteilhafterweise wird ein Toleranzbereich
vorgegeben, wobei, wenn die erfasste Spannung außerhalb des Bereiches liegt
eine Fehlbestromung bestimmt wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung wird die Spannung in einem vorgebbaren Zeitintervall,
zweckmäßigerweise
kurz nach dem Unterbrechen der Anschlussleitung erfasst. Wobei vorteilhafterweise
mehrere Messungen der Spannung durchgeführt werden, die dann mit dem
bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils verglichen
werden.
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Besonders
vorteilhaft wird aus den im Zeitintervall erfassten Werten eine
Flankensteilheit ermittelt. Diese kann auf einfache Art und Weise
mit der ebenfalls bekannten Flankensteilheit des kapazitiven Bauelements
verglichen werden. Ist beispielsweise die ermittelte Flankensteilheit
vergleichsweise zu groß wird
eine Fehlbestromung der Spule bestimmt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Erfassen der Spannung
mittels eines Analog-Digital-Wandlers. Dadurch wird eine besonders einfache
Möglichkeit
geboten, die Spannung beziehungsweise den Verlauf der Spannung nach
dem Unterbrechen der Anschlussleitung zu erfassen. Soll beispielsweise
die Flankensteilheit ausgewertet werden, werden die aufeinander
folgenden Abtastwerte des Analog-Digital-Wandlers vorteilhafterweise
voneinander subtrahiert. Die Differenz wird bei bekannter Abtastrate
anschließend
mit der maximal erlaubten (bekannten) Flankensteilheit verglichen.
Wobei bei einem Überschreiten
der maximal erlaubten Flankensteilheit, wie bereits gesagt, eine
Fehlbestromung der Spule bestimmt wird.
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Vorteilhafterweise
wird als erstes und/oder zweites Schaltelement ein mechanischer
Schalter oder bevorzugt ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor/Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet. Zweckmäßigerweise
wird die Spule über
das erste Schaltelement nach Masse angesteuert.
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Die
vorteilhafte Schaltungsanordnung sieht ein zweites Schaltelement
vor, das in einer der Anschlussleitungen angeordnet ist, und Mittel
zum Erfassen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlussleitung
zur Ermittlung einer Fehlbestromung des induktiven Bauelements.
Mittels des zweiten Schaltelements kann eine der Anschlussleitungen
unterbrochen werden, sodass eine Fehlbestromung der Spule erkannt
werden kann. Dazu sind die Mittel zum Erfassen der Spannung zwischen
der ersten und der zweiten Anschlussleitung vorgesehen. Dabei erfassen
die Mittel die Spannung vorteilhafterweise in einem vorgebbaren
Zeitpunkt oder in einem vorgebbaren Zeitintervall.
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Bevorzugt
weisen die Mittel dazu zumindest einen Analog-Digital-Wandler auf,
der die Spannung mit einer bekannten Abtastrate abtastet. Zweckmäßigerweise
weisen die Mittel zumindest eine Recheneinheit oder eine Speichereinheit
auf, wobei in der Speichereinheit bevorzugt das Spannungsverhalten des
kapazitiven elektrischen Bauteils hinterlegt ist und die Recheneinheit
die erfasste Spannung mit dem bekannten Spannungsverhalten des kapazitiven Bauteils
vergleicht und dadurch auf eine Fehlbestromung der Spule schließen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das erste und/oder das zweite Schaltelement der
Schaltungsanordnung als ein MOSFET ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise
ist das erste Schaltelement als ein Lowside-Schalter oder als ein
Highside-Schalter ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise
ist die erste Anschlussleitung oder die zweite Anschlussleitung
als Massepfad ausgebildet. Entsprechend der Anordnung des zweiten
Schaltelements kann somit ein Versorgungspfad oder der Massepfad
unterbrochen werden.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Magnetventil, insbesondere eines elektronischen
Bremssystems, wie zum Beispiel ein Antiblockiersystem oder ein elektronisches
Stabilitäts-System
eines Kraftfahrzeugs, das eine vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung
aufweist.
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Darüber hinaus
betrifft die Erfindung ein elektronisches Bremssystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere
Antiblockier- oder Stabilisations-System, mit mindestens einem Magnetventil,
insbesondere einem Auslassmagnetventil, wobei das elektronische
Bremssystem mindestens eine Schaltungsanordnung, wie sie oben beschrieben
wurde, aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden.
Dazu zeigen
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer vorteilhaften Schaltungsanordnung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer vorteilhaften Schaltungsanordnung,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer vorteilhaften Schaltungsanordnung,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
einer vorteilhaften Schaltungsanordnung und
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5 einen
beispielhaften Vergleich einer Fastenspannung mit dem bekannten
Spannungsverhalten eines kapazitiven Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer vorteilhaften Schaltungsanordnung 1. Die Schaltungsanordnung 1 weist
einen ersten Stromzweig 2 und einen zweiten Stromzweig 3 auf,
die parallel zueinander geschaltet sind und über eine erste Anschlussleitung 4 und
eine zweite Anschlussleitung 5 mit einer ersten Spannungsquelle 6,
die als Gleichspannungsquelle 7 ausgebildet ist, elektrisch
verbunden sind. Der zweite Stromzweig 3 weist ein als Kondensator 8 ausgebildetes
kapazitives Bauteil 9 auf. Der erste Stromzweig 2 weist
in Reihe geschaltet eine ein induktives elektrisches Bauelement 10 bildende
elektrische Spule 11, die als Magnetspule 12 eines
Magnetventils ausgebildet ist, und ein erstes Schaltelement 13,
das als MOSFET-Schalter 14 ausgebildet ist, auf. Mittels
des Schaltelements 13 wird im Betrieb der Schaltungsanordnung 1 die
Spule 11 zum Öffnen
oder Schließen
des Magnetventils angesteuert. Die zweite Anschlussleitung 5 ist
als Massepfad 15 ausgebildet und die erste Anschlussleitung 4 weist
ein zweites Schaltelement 16 auf, das als MOSFET-Schalter 17 ausgebildet
ist. Die Anschlussleitung 4 ist darüber hinaus mit einem Mittel 18 verbunden,
welches die Spannung zwischen der als Versorgungsleitung dienenden
Anschlussleitung 4 und dem Massepfad 15 erfasst.
Vorteilhafterweise ist das Mittel 18 als ein Analog-Digital-Wandler 19 ausgebildet oder
weist diesen auf.
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Im
Betrieb der Schaltungsanordnung 1 kann es beispielsweise
aufgrund eines Defekts beziehungsweise Kurzschlusses in dem Schaltelement 13 und/oder
eines Kurzschlusses der Spule 11 dazu kommen, dass die
Spule 11 von Strom durchflossen wird, obwohl das Schaltelement 13 nicht
durchgeschaltet ist. Dies würde
bedeuten, dass das Magnetventil ungewollt aktiviert beziehungsweise geöffnet oder
geschlossen ist. Dies kann insbesondere bei der Verwendung des Magnetventils
in Sicherheitssystemen zu hohen Risiken führen.
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Um
zu ermitteln, ob eine Fehlbestromung des induktiven Bauelements 10 vorliegt,
wird das zweite Schaltelement 16 geöffnet, sodass die Anschlussleitung 4 unterbrochen
ist. Liegt keine Fehlbestromung vor, sinkt die von dem Mittel 18 erfasste Spannung
zwischen der Anschlussleitung 4 und der Anschlussleitung 5 gepuffert
durch den Kondensator 8 langsam ab. Bei einer Fehlbestromung
ist die Spule 11 nach dem Öffnen des Schaltelements 16 stromdurchflossen.
Der Abbau des magnetischen Flusses erfordert dabei einen fortgesetzten
Stromfluss. Da kein Freilaufpfad zur Verfügung steht, muss dieser Strom über den
Kondensator 8 gespeist werden, wodurch die Spannung zwischen
den Anschlussleitungen 4 und 5 schneller absinkt.
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In
der 5 ist dazu ein beispielhaftes Diagramm dargestellt,
welches den Spannungsverlauf der Spannung U über die Zeit t zwischen den
Anschlussleitungen 4 und 5 für einen Normalfall und für den Fall
einer Fehlbestromung darstellt. Während die Spannung des bekannten
Spannungsverhaltens, gekennzeichnet durch eine Kurve 20,
im Normalfall relativ gleichmäßig abfällt, fällt im Fehlerfall,
gekennzeichnet durch eine Kurve 21, die erfasste Spannung U
wesentlich schneller ab.
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Durch Überwachung
des transienten Verhaltens der Spannung U nach Abschalten des Schaltelements 16 lässt sich
somit eine Fehlbestromung erkennen beziehungsweise ermitteln. Dies
kann durch Auswertung der Flankensteilheit und/oder durch eine einmalige
Messung der Spannung zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 kurz
nach Abschalten des Schaltelements 16 erfolgen. Ist die
ermittelte Flankensteilheit im Vergleich zu dem Spannungsverhalten 20 des
Kondensators 8 zu groß beziehungsweise die
gemessene Spannung bei einer einmaligen Messung zu gering, so wird
ein Fehler beziehungsweise ein Fehlbestromung erkannt. Zur Auswertung
der Flankensteilheit können
aufeinander folgende Abtastwerte des Analog-Digital-Wandlers bei bekannter Abtastrate
ausgewertet werden, indem die aufeinander folgenden Abtastwerte
voneinander subtrahiert werden. Die Differenz wird dann mit der
maximal erlaubten Flankensteilheit beziehungsweise dem bekannten Spannungsverhalten
des Kondensators 8 verglichen und bei deren Überschreitung
ein Fehler erkannt beziehungsweise bestimmt. Wird eine Fehlbestromung
erkannt, ist eine redundante Abschaltung der Spule 11 über das
zweite Schaltelement 16 möglich.
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Optional
kann parallel zu dem Kondensator 8 ein Widerstand 22 vorgehalten
werden. Darüber
hinaus zeigt die 1 einen weiteren Widerstand 23, der
optional den Knoten zwischen dem Schaltelement 16 und der
Spule 11 mit einer zweiten Spannungsquelle 24,
die als Gleichspannungsquelle 25 ausgebildet ist, verbindet.
Mit den Widerständen 22 und/oder 23 kann
die Zeitkonstante des Kondensators 8 beeinflusst werden.
Ohne Last ist die Zeitkonstante im Idealfall unendlich, bei geeigneter
Dimensionierung der Widerstände 22 und 23 immer
noch relativ groß.
Durch andere Schaltungsdimensionierungen ist auch ein Ansteigen
der erfassten Spannung möglich.
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Sinkt
in der vorliegenden Ausführungsform der
Schaltungsanordnung 1 die erfasste Spannung beim Abkommutieren
deutlich unter die Gatespannung von dem Schaltelement 16 ab,
so wird der verbliebene Spulenstrom über das Schaltelement 16 abkommutiert.
Es kann alternativ auch ein anderer Abkommutierungspfad vorgesehen
werden, wie zum Beispiel eine Diode in Sperrrichtung zwischen der Anschlussleitung 4 und
dem Massepfad 15. Vorteilhafterweise kann dies auch die
parasitäre
Bodydiode des MOSFETs eines weiteren parallelen Zweiges zur Spulenansteuerung
sein. Ziel ist dabei, dass die erfasste Spannung ab einem bestimmten
Anfangs-Spulenstrom keine negativen Werte erreicht, die zu einer
gedämpften
Schwingung führen
würden. Die
Verhinderung von Schwingungen ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Die Spannungsquellen 6 und 24 können als
zwei verschiedene oder auch als eine Spannungsquelle ausgebildet
sein. Der Kondensator 8 kann anstatt nach Masse zu führen auch
von der Anschlussleitung 4, die in diesem Fall als Versorgungsleitung 26 ausgebildet
ist, zu einem beliebigen anderen festen Potential führen. Zum
Beispiel ist ein Anschluss parallel zum Schaltelement 16 denkbar. Die
Schaltelemente 16 und 13 könnten alternativ auch als mechanische
Schalter ausgebildet sein.
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Die 2, 3 und 4 zeigen
weitere Ausführungsformen
der Schaltungsanordnung 1, die im Wesentlichen der Schaltungsanordnung 1 aus der 1 entsprechen,
sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen werden
soll.
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Die 2 zeigt
die Schaltungsanordnung 1, bei der im Unterschied zur 1 das
Schaltelement 13 beziehungsweise der MOSFET-Schalter 14 als ein
Highside-Schalter 26, im Gegensatz zu der Ausbildung als
Lowside-Schalter 27 in der 1, ausgebildet
ist. Das Ermitteln einer Fehlbestromung erfolgt wie oben beschrieben.
Die Zenerdiode zwischen Drain und Gate kann in dem Ausführungsbeispiel
der 2 entfallen. Durch das vom Spulenstrom verursachte
Absinken der Source-Spannung bei Abschalten beziehungsweise Öffnen des
Schaltelements 13 öffnet
der MOSFET-Schalter 14 automatisch und lässt den
Strom abkommutieren.
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Die 3 und 4 zeigen
die Ausführungsformen
der 1 und 2 mit dem wesentlichen Unterschied,
dass das Schaltelement 16 im Massepfad 15 der
Schaltungsanordnung 1 vorgesehen ist. In diesen Ausführungsbeispielen
steigt die erfasste Spannung bei Öffnen beziehungsweise Abschalten
des Schaltelements 16 im Fehlerfall, also bei einer Fehlbestromung,
schnell an, während
sie ohne Fehler nach dem Abschalten nahezu Null Volt beträgt, beziehungsweise,
zum Beispiel durch Leckströme
oder zusätzliche
Schaltungsmaßnahmen, langsamer
ansteigt.
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Wird
die fehlerhafte Bestromung der Spule 11 bei Verwendung
des MOSFET-Schalters 14,
zum Beispiel durch einen parasitären
Widerstand zwischen Drain und Gate verursacht, ergibt sich ein Zenerdioden-Verhalten.
Erst wenn die Spannung zwischen den Anschlussleitungen 4 und 5 ausreicht,
um die Threshholdspannung am Gate zu überschreiten, wird der MOSFET-Schalter 14 leitend.
Zur Erkennung eines parasitären
Widerstands zwischen Drain und Gate des MOSFET-Schalters 14 kommt
auch eine Gatespannungsüberwachung
infrage.