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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein mehrere Teilbordnetze umfassendes Bordnetz
mit Spannungswandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft
die Erfindung ein Verfahren für die Steuerung eines Bordnetzes
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Bordnetze moderner Kraftfahrzeuge
umfassen häufig mehrere Teilbordnetze auf einem unterschiedlichen
Spannungsniveau. Beispielsweise sind Teilbordnetze mit der herkömmlichen
Spannung von 14 V und Teilbordnetze mit einer höheren Spannung
von 24 oder 32 V üblich, um Hochleistungsverbraucher mit
einer höheren Spannung versorgen zu können oder
um die durch Rekuperation gewonnene Energie besser aufnehmen zu
können. In der Praxis ergeben sich Probleme bei der Übertragung
von Energie zwischen den Teilbordnetzen, beispielsweise von einem
Teilbordnetz niedriger Spannung zu einem Teilbordnetz mit höherer
Spannung. Dazu sind leistungsstarke, voluminöse und teure
Spannungswandler (DC/DC-Wandler) erforderlich.
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AUS
DE 10 2006 022 394.2 ist
eine Vorrichtung zum Ladungsabgleich einer Energiequelle, insbesondere
einer Batterie mit mehreren Zellen, bekannt, die eine mit den Zellen
verbundene Elektronik umfasst, wobei die Elektronik so ausgelegt
ist, dass sie eine Zelle wenigstens teilweise entlädt,
wenn deren Zellenspannung von einem aus mehreren Zellenspannungen
gebildeten Referenzwert stärker abweicht als eine vorgegebene
Schwelle.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aus Teilbordnetzen bestehendes
elektrisches Bordnetz zu schaffen, das eine Energieübertragung zwischen
den Teilbordnetzen ohne aufwändige herkömmliche
Spannungswandler ermöglicht.
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Technische Lösung
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Ausgehend
von einem Bordnetz der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Ein
besonders vorteilhaftes Verfahren für die Steuerung eines mehrere
Teilbordnetze umfassenden Bordnetzes geht aus Anspruch 11 hervor.
Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass eine Spannungswandlung
zum Zwecke der Anpassung der Spannungsniveaus verschiedener Teilbordnetze
vorteilhaft mit Kondensatoren hoher Kapazität und steuerbaren
Schalteinrichtungen ermöglicht wird, wobei die Schalteinrichtungen
die Kondensatoren derart umschalten, dass diese Kondensatoren ihre
Schaltposition wechselseitig vertauschen.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Das
durch die erfinderische Lösung bereitgestellte Bordnetz
ermöglicht eine Spannungswandlung ohne teure und aufwändige
Gleichspannungswandler und vereinfacht daher die Schaffung eines komplexen
Bordnetzes mit mehreren Teilbordnetzen auf unterschiedlichem Spannungsniveau.
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Besonders
vorteilhaft handelt es sich bei den Schalteinrichtungen um elektronische
Schalteinrichtungen, die von einem Steuergerät steuerbar
sind. Dadurch können Schaltvorgänge besonders
schnell und in Reaktion auf bestimmte Kenngrößen
des Bordnetzes durchgeführt werden. Als Kondensatoren werden
zweckmäßig Kondensatoren mit einem vergleichsweise
hohen Kapazitätswert von mindestens etwa 10 Farad eingesetzt.
Besonders gut sind so genannte Doppelschichtkondensatoren geeignet.
Diese Kondensatoren können aus einzelnen, in Reihe geschalteten
Doppelschichtkondensatorenzellen (DLC = double layer capacitors),
deren maximale Zellenspannung (Dissoziationsspannung) von beispielsweise
2,8 V nicht überschritten werden darf, bestehen. Diese
Kondensatorenzellen sind daher durch parallel geschaltete Balanzierungskomponenten oder
z. B. durch Zenerdioden oder Varistoren gegen Überspannung
geschützt. Diese Kondensatoren mit Schutzschaltungen werden
auch als DLC-Module bezeichnet.
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Bei
einer Ausführungsform eines Verfahrens für die
Steuerung eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Bordnetzes werden die Steuereinrichtungen mit einer vorgebbaren
festen Taktrate gesteuert, wodurch die Schaltposition der Kondensatoren
entsprechend geändert wird. Bei Einsatz von Kondensatoren mit
einem hohen Kapazitätswert kann dabei eine im Vergleich
zu einem herkömmlichen Spannungswandler niedrige Taktrate
angewandt werden. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich,
Schaltverluste und elektromagnetische Störungen als Folge von
Schaltvorgängen zu vermindern. Während herkömmliche
Gleichspannungswandler mit einer Schaltfrequenz von einigen zehn
kHz oder 100 kHz betrieben werden, kommt bei der erfindungsgemäßen
Lösung eine Schaltfrequenz von etwa 1 bis 10 Hz zur Anwendung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
erfolgen die Schaltvorgänge in Abhängigkeit von
Betriebskenngrößen des Bordnetzes. Dazu wird beispielsweise
die Höhe der für ein Teilbordnetz bereitgestellten
Ausgangsspannung erfasst und die Schaltfrequenz in Abhängigkeit
von der Ausgangsspannung verändert, um ein bestimmtes Spannungsniveau
oder/und eine gewünschte Welligkeit der Spannung einzuhalten.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen
und der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher
erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein
Bordnetz mit einem Aufwärtswandler;
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2 eine
Spannungsquelle;
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3 ein
Bordnetz mit einem Abwärtswandler;
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4 die
Prinzipdarstellung eines Aufwärtswandlers;
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5 die
Prinzipdarstellung eines Abwärtswandlers;
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6 ein
herkömmliches Bordnetz mit zwei über einen Spannungswandler
gekoppelten Teilbordnetzen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
als erstes Ausführungsbeispiel ein Bordnetz 101 mit
einem als Aufwärtswandler wirkenden Spannungswandler. Der Aufwärtswandler umfasst
im Wesentlichen die Kondensatoren C1, C2, C3, sowie die von einem
Steuergerät ST1 steuerbaren Schalteinrichtungen S1 bis
S7. Die Spannungsquelle Q1 und der Widerstand R2 sind Komponenten eines
nur schematisch dargestellten ersten, für eine niedrige
Spannung ausgelegten Teilbordnetzes TB1, das an dem Eingang des
Spannungswandlers die Eingangsspannung Ue bereitstellt. Wie in 2 dargestellt,
besteht die Spannungsquelle Q1 beispielsweise aus einem herkömmlichen
Generator G und einer von diesem aufladbaren Batterie B. Dieses
erste Teilbordnetz TB1 ist beispielsweise für eine übliche Spannung
von 14 V ausgelegt. Mit M1 ist eine Messeinrichtung bezeichnet,
mit der die dem Spannungswandler zugeführte Eingangsspannung
Ue erfasst wird. Die Messeinrichtung M1 erfasst die Eingangsspannung
Ue beispielsweise an dem Ausgangsanschluss des Widerstands R2. Auf
dem Sichtschirm der Messeinrichtung M1 ist die Eingangsspannung Ue
als Funktion der Zeit t dargestellt. Der Widerstand R1, der Kondensator
C4 und der Lastwiderstand RL sind Komponenten eines ebenfalls nur
schematisch dargestellten Teilbordnetzes TB2, das für eine
höhere Spannung von beispielsweise 24 V ausgelegt ist. Bei
den in dem Spannungswandler vorgesehenen Kondensatoren C1 und C2
handelt es sich um Kondensatoren mit einem hohen Kapazitätswert
und einem niedrigen Innenwiderstand. Besonders geeignet sind so
genannte Doppelschichtkondensatoren mit einem Kapazitätswert
von mindestens 10 F oder höher. Besonders vorteilhaft umfassen
die Kondensatoren C1, C2 sogenannte Kondensatorenmodule, die aus
in Reihe und parallel geschalteten und gegen Überspannung
geschützten Doppelschichtkondensatorenzellen bestehen.
Je größer die Kapazitätswerte der Kondensatoren
C1 und C2 sind, desto geringer kann die Schaltfrequenz bei der Steuerung
der Schalteinrichtungen S1 bis S7 bei einem vorgegebenen Lastwiderstand
RL sein. Die Kondensatoren C3 und C4 sind Pufferkondensatoren, die
einen Spannungseinbruch bei der Steuerung der Schalteinrichtungen
S1 bis S7 vermindern sollen.
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Mit
M2 ist eine Messeinrichtung bezeichnet, die die Ausgangsspannung
Ua, beispielsweise an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R1
und RL erfasst. Der Lastwiderstand RL repräsentiert Hochleistungsverbraucher
des Kraftfahrzeugs, wie insbesondere den Startermotor, die Heckscheiben-
und/oder Frontscheibenheizung oder eine elektrische Lenkung. Auf
dem Sichtschirm der Messeinrichtung M2 ist die Ausgangsspannung
Ua als Funktion der Zeit t dargestellt. Der Sollwert der Ausgangsspannung
Ua beträgt beispielsweise 24 V. Die Schalteinrichtungen
S1 bis S7 sind in 1 beispielhaft als ideale mechanische
Schalter dargestellt, die in dem geöffneten Zustand einen
praktisch unendlich großen Widerstand und die im geschlossenen
Zustand einen möglichst geringen Übergangswiderstand
aufweisen. Die Schalteinrichtungen S1 bis S7 können beispielsweise
als elektrische Relais mit Einweg- bzw. Mehrwegschaltern ausgebildet
sein, wobei die Schalteinrichtungen S1 bis S7 vorzugsweise von einem
Steuergerät ST1 steuerbar sind. Um die gewünschte
Schaltstrategie zu ermöglichen, können die Schalteinrichtungen
S1 bis S7 auch Mehrwegschalter umfassen. Die Schalteinrichtungen
S1 bis S7 können vorteilhaft auch als elektronische Schalteinrichtungen
ausgebildet sein, die von dem Steuergerät ST1 steuerbar
sind. Geeignet dafür sind beispielsweise MOSFET-Transistoren.
Bei einer für die praktische Anwendung geeigneten Betriebsart
können die Schalteinrichtungen S1 bis S7 mit einer festen
Taktrate gesteuert werden.
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Beispielsweise
kann ein Schaltvorgang pro Sekunde vorgesehen sein. Die Taktrate
ist dabei zweckmäßig an die Kapazitätswerte
der Kondensatoren C1, C2 angepasst. Je größer
die Kapazität der Kondensatoren C1, C2 ist, desto niedriger
kann, bei einem festen Wert des Lastwiderstands RL, die verwendete
Taktrate sein. Bei einer besonders vorteilhaften Betriebsweise kann
die Steuerung auch in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen
des Bordnetzes, wie beispielsweise von dem Wert der Ausgangsspannung
Ua, einem Maximalwert der Spannungswelligkeit, dem Wert des Lastwiderstands
RL oder der Höhe des Stroms IL durch den Lastwiderstand
RL erfolgen. Besonders vorteilhaft können die Schalteinrichtungen
S1 bis S7 auch so gesteuert werden, dass die Ausgangsspannung Ua
trotz sich ändernder Eingangsspannung Ue auf einen vorgebbaren
Spannungswert stabilisiert wird. Besonders vorteilhaft ist eine
Steuerung der Schalteinrichtungen S1 bis S7, die einen möglichst
verlustarmen Energietransfer zwischen Teilbordnetzen des Bordnetzes
ermöglicht.
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Die
Funktionsweise des in 1 als Bestandteil des Bordnetzes 101 dargestellten
Spannungswandlers wird im Folgenden unter Bezug auf die schematische
Darstellung in 3 beschrieben. Die in 3 dargestellten
Schaltungsanordnungen zeigen die Schaltposition der Kondensatoren
C1, C2 zu unterschiedlichen Zeitpunkten T1 und T2. Zum Zeitpunkt
T1 liegt die als konstant angenommene Eingangsspannung Ue von 14
V über den Widerstand R2 an dem Verbindungspunkt der Kondensatoren
C1 und C2 und dem Masseanschluss. Der Widerstand R2 begrenzt den
Ladestrom bei dem Aufladen der Kondensatoren C1, C2. Für
die praktische Anwendung sollte der Widerstandswert des Widerstands
R2 wesentlich geringer als der Wert des Lastwiderstands RL sein.
Zwischen dem Masseanschluss und dem von dem Verbindungspunkt abgewandten
Anschluss des Kondensators C1 liegt die Ausgangsspannung Ua von
24 V an, die für den Lastwiderstand RL bereitgestellt wird.
Dabei liegt an dem Kondensator C1 die Spannung von U1 = 10 V und
an dem Kondensator C2 die Spannung U2 = 14 V an. Zu einem Zeitpunkt
TX erfolgt durch eine Steuerung der in 3 nicht
eingezeichneten Schalteinrichtungen S1 bis S7 eine Umschaltung der
Schaltposition der Kondensatoren C1, C2, so dass diese zum Zeitpunkt T2
die dort gezeigte Schaltposition einnehmen. Der Umschaltvorgang
ist durch den mit P bezeichneten Pfeil angedeutet. Die Umschaltung
kann gemäß einer ersten Betriebsart mit einer
fest vorgegebenen Schaltfrequenz erfolgen. In einer alternativen
Betriebsart kann der Schaltvorgang auch in Abhängigkeit
von der Höhe der Ausgangsspannung Ua bzw. der maximalen
Spannungswelligkeit gesteuert werden. Weiterhin kann der Schaltvorgang
auch abhängig von der Größe des Lastwiderstands
RL sein. Beispielsweise kann ein Schaltvorgang erfolgen, wenn zusätzliche
Verbraucher zugeschaltet werden. In der Schaltposition gemäß Zeitpunkt
T2 liegt die Eingangsspannung Ue = 14 V ebenfalls über
den Widerstand R2 an dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren
C1, C2. Der dem Verbindungspunkt abgewandte Anschluss des Kondensators
C1 liegt jetzt an Masse. Der dem Verbindungspunkt abgewandte Anschluss
des Kondensators C2 ist jetzt mit dem Lastwiderstand RL verbunden.
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4 zeigt
als zweites Ausführungsbeispiel ein Bordnetz 102 mit
einem als Abwärtswandler wirkenden Spannungswandler. Der
Abwärtswandler umfasst im Wesentlichen die Kondensatoren
C1, C2, C3, C4 sowie die von einem Steuergerät ST2 steuerbaren
Schalteinrichtungen Sa bis Sf. Die Spannungsquelle Q2 und der Widerstand
R1 sind Komponenten eines nur schematisch dargestellten ersten,
für eine hohe Spannung von beispielsweise 24 V ausgelegten
Teilbordnetzes TB1, das an dem Eingang des Spannungswandlers die
Eingangsspannung Ue2 bereitstellt. Mit M1 ist eine Messeinrichtung
bezeichnet, mit der die dem Spannungswandler zugeführte
Eingangsspannung Ue2 erfasst wird. Die Messeinrichtung M1 erfasst
die Eingangsspannung Ue2 beispielsweise an dem Verbindungspunkt
des Widerstands R1 mit dem Kondensator C3. Auf dem Sichtschirm der
Messeinrichtung M1 ist die Eingangsspannung Ue2 als Funktion der
Zeit t dargestellt. Der Lastwiderstand RL und der Kondensator C4
sind Komponenten eines ebenfalls nur schematisch dargestellten Teilbordnetzes
T2, das für eine niedrigere Spannung von beispielsweise
14 V ausgelegt ist. Bei den in dem Spannungswandler vorgesehenen
Kondensatoren C1 und C2 handelt es sich um Kondensatoren mit einem
hohen Kapazitätswert und einem niedrigen Innenwiderstand.
Besonders geeignet sind so genannte Doppelschichtkondensatoren mit
einem Kapazitätswert von mindestens 10 F oder höher.
Je größer die Kapazitätswerte der Kondensatoren
C1 und C2 sind, desto geringer kann die Schaltfrequenz bei der Steuerung
der Schalteinrichtungen Sa bis Sf bei einem vorgegebenen Lastwiderstand
RL sein. Die Kondensatoren C3 und C4 sind Pufferkondensatoren, die
einen Spannungseinbruch bei der Steuerung der Schalteinrichtungen
Sa bis Sf verhindern sollen. Mit M2 ist eine Messeinrichtung bezeichnet, die
die Ausgangsspannung Ua2, beispielsweise an dem Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand RL und dem Kondensator C4 erfasst. Auf dem
Sichtschirm der Messeinrichtung M2 ist die Ausgangsspannung Ua2
als Funktion der Zeit t dargestellt. Der Sollwert der Ausgangsspannung
Ua2 beträgt beispielsweise 14 V. Die Schalteinrichtungen
Sa bis Sf sind in 4 beispielhaft als ideale mechanische Schalter
dargestellt, die in dem geöffneten Zustand einen praktisch
unendlich großen Widerstand und die im geschlossenen Zustand
einen möglichst geringen Übergangswiderstand aufweisen.
In der Praxis sind die Schalteinrichtungen Sa bis Sf vorteilhaft
als elektronische Schalteinrichtungen ausgebildet, die von dem Steuergerät
ST2 steuerbar sind. Bei einer für die praktische Anwendung
geeigneten Betriebsart können die Schalteinrichtungen Sa
bis Sf mit einer festen Taktrate gesteuert werden. Beispielsweise
kann ein Schaltvorgang pro Sekunde vorgesehen sein. Bei einer besonders
vorteilhaften Betriebsweise kann die Steuerung auch in Abhängigkeit
von dem Wert der Ausgangsspannung Ua2, der maximal zulässigen Spannungswelligkeit
oder von dem aktuellen Wert des Lastwiderstands RL erfolgen.
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Die
Funktionsweise des in 4 als Bestandteil des Bordnetzes 102 dargestellten
Spannungswandlers wird im Folgenden unter Bezug auf die schematische
Darstellung in 5 beschrieben. Die in 5 dargestellten
Schaltungsanordnungen zeigen die Schaltposition der Kondensatoren
C1, C2 zu unterschiedlichen Zeitpunkten TA und TB. Zum Zeitpunkt
TA liegt die als konstant angenommene Eingangsspannung Ue2 von 24
V an der Serienschaltung der Kondensatoren C1, C2 und dem Masseanschluss.
Der Lastwiderstand RL liegt zwischen dem Masseanschluss und dem
Verbindungspunkt der Kondensatoren C1 und C2. In dem Zeitpunkt TA liegt
an dem Kondensator C1 die Spannung U1 = 14 V und an dem Kondensator
C2 die Spannung U2 = 10 V. Die für den Lastwiderstand RL
bereitgestellte Ausgangsspannung Ua2 beträgt somit auch
10 V. Zum Zeitpunkt TY werden die in 5 nicht
dargestellten Schalteinrichtungen Sa bis Sf durch ein Steuergerät
ST2 derart gesteuert, dass sich die Schaltposition der Kondensatoren
C1, C2 zum Zeitpunkt TB ergibt. Der Umschaltvorgang ist durch den
mit P2 bezeichneten Pfeil angedeutet. Die Umschaltung kann gemäß einer
ersten Betriebsart mit einer fest vorgegebenen Schaltfrequenz erfolgen.
In einer alternativen Betriebsart kann der Schaltvorgang auch in
Abhängigkeit von der Höhe der Ausgangsspannung
Ua gesteuert werden. Weiterhin kann der Schaltvorgang auch abhängig
von der Größe des Lastwiderstands RL sein. Beispielsweise
kann ein Schaltvorgang erfolgen, wenn zusätzliche Verbraucher
zugeschaltet werden In der Schaltposition gemäß Zeitpunkt
T2 liegt die Eingangsspannung Ue2 = 24 V ebenfalls an der Serienschaltung
der beiden Kondensatoren C1, C2 an, wobei jedoch jetzt der Kondensator
C1 mit einem Anschluss an dem Masseanschluss liegt. Der Lastwiderstand
RL liegt an dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren C1, C2
und dem Masseanschluss und wird so mit einer Ausgangsspannung von
Ua2 = 14 V versorgt.
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6 zeigt
noch ein herkömmliches Bordnetz 106 in vereinfachter
Darstellung mit zwei über einen Spannungswandler 6 gekoppelten
Teilbordnetzen TB1, TB2. Das Teilbordnetz TB1 umfasst einen Generator
G und eine Batterie B und ist beispielsweise für eine niedrige
Spannung von 14 V ausgelegt. Das für eine höhere
Spannung von beispielsweise 24 V ausgelegte Teilbordnetz TB2 umfasst
einen Lastwiderstand RL und einen Ladungsspeicher C. Der die beiden
Teilbordnetze TB1, TB2 koppelnde Spannungswandler 6 setzt
die niedrigere Spannung des Teilbordnetzes TB1 in die höhere
Spannung des Teilbordnetzes TB2 um. Der herkömmliche Spannungswandler 6 umfasst
teure Komponenten und muss in der Regel mit einer hohen Schaltfrequenz
betrieben werden. Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre
kann selbstverständlich auch ein Bordnetz mit Teilbordnetzen
auf anderen Spannungsniveaus realisiert und gesteuert werden. Weiterhin
ist eine Anwendung bei der Spannungswandlung zwischen elektronischen
Schaltkreisen auf Chipebene vorstellbar. Da hier jedoch die Kondensatoren
nur niedrige Kapazitätswerte haben, muss die Schaltfrequenz
bei der Steuerung von Schalteinrichtungen für die Umschaltung
der Kondensatoren entsprechend erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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