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Die
Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung für eine Last,
insbesondere für
ein Netz, mit einem Energiespeicher und einem Spannungswandler.
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Bei
batteriegestützten
Geräten,
beispielsweise bei DC/DC-Wandlern
zur Versorgung eines Netzes, das ein Kfz-Bordnetz, eine Basisstation-Telekommunikationseinrichtung
oder dergleichen sein kann, besteht häufig die Forderung nach einem
Verpolschutz, der verhindern soll, dass falsch angeschlossene Energiespeicher,
wie Batterien oder Akkus, zu einer Beschädigung der nachfolgenden Elektronik
führt.
Die Gefahr einer Verpolung besteht meist beim Wechseln oder An-
und Abklemmen des Energiespeichers, wenn keine mechanischen Schutzmaßnahmen
vorhanden sind. Wird der als Gleichspannungsquelle ausgebildete
Energiespeicher verpolt an die elektrische oder elektronische Schaltung angeschlossen,
fließt
ohne Verpolschutz ein sehr hoher Kurzschlussstrom. Da die elektronischen
Bauteile nicht für
derart hohe Ströme
dimensioniert sind, kommt es zur Zerstörung der Elektronik.
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Bei
den bekannten DC/DC-Wandlern, beispielsweise zur Versorgung eines
Kraftfahrzeug-Bordnetzes, sind die Klemmen des Energiespeichers,
d. h. der Batterie, meist so ausgeführt, dass ein mögliches
Vertauschen des Plus- und Minus-Anschlusses nicht verhindert wird.
Schaltungstechnische Maßnahmen
nach dem Stand der Technik sind beispielsweise Verpolschutzdioden,
wie eine Diode im Lastkreis, antiparallele Schottkydioden im Leistungspfad,
serielle Leistungsschalter im Ausgangspfad, serielle Leistungsdioden
im Ausgangspfad oder dergleichen. Beispielsweise ist bekannt, parallel
zu den Klemmen des Ener giespeichers eine Diode zu schalten, die
bei Verpolung des Energiespeichers den Kurzschlussstrom aufnimmt.
Solche Dioden müssen
eine sehr hohe Stromtragfähigkeit haben,
so dass sie einen sehr großen
Platzbedarf im elektronischen Gerät benötigen. Der Einbau einer solchen
Verpolschutzdiode hat zusätzlich
eine negative Auswirkung auf den Preis des Geräts. Wird eine Diode seriell
eingefügt,
muss sie zwar nur den Laststrom führen, allerdings bringt sie
auch mehrere Nachteile mit sich, da wären: Verringerung des Wirkungsgrads,
bidirektionaler Betrieb des Wandlers nicht möglich, Platzbedarf und nicht
zuletzt Preis des Gerätes.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsversorgungseinrichtung
für eine
Last, insbesondere für
ein Netz, wie ein Kfz-Bordnetz, zu schaffen, die einen sicheren
Verpolschutz gewährleistet,
einen geringen Platzbedarf benötigt
und relativ kostengünstig
herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Dadurch,
dass die mit den Anschlussklemmen des Energiespeichers in Verbindung
stehenden Verpolschutzmittel ausgebildet sind, die bei Verpolung
des Energiespeichers von diesem gelieferten Spannung in eine Steuerspannung
zum aktiven Einschalten des elektronischen Schalters umwandeln, können die
bereits in der Schaltung des Spannungswandlers mit synchroner, d.
h. aktiver Gleichrichtung benutzten elektronischen Bauteile zumindest
teilweise zum Schutz der Elektronik verwendet werden, indem die
aktiven Halbleiter, d. h. der mindes tens eine elektronische Schalter
in den leitenden Zustand gebracht wird, um den Kurzschlussstrom
zu übernehmen.
Durch das aktive Zuschalten der elektronischen Schalter fließt der Kurzschlussstrom
bei ihrer Ausbildung als MOSFETS nicht mehr über die parasitäre Diode,
bei Ausführung
als IGBTs über
die externe Diode, sondern über
den geöffneten
Drain-Source-Kanal bzw. die Emitter-Kollektorstrecke. Bei Ausführung der
Halbleiterschalter aus mehreren parallel geschalteten Elementen
wirkt sich das Überbrücken der
internen bzw. externen Dioden dahingehend positiv aus, dass die
Stromverteilung in den einzelnen Elementen nicht durch die thermisch
ungünstige
Diodenkennlinie beeinflusst wird (höhere Temperatur, niedrigere
Flussspannung, d. h. die am meisten belastete Diode leitet am besten).
Ebenso werden durch das aktive Einschalten des Schalters die Verluste
im Bauteile minimiert, sowie der Anstieg und die Amplitude des Kurzschlussstroms
erhöht.
Somit wird ein sicheres Auslösen
der Sicherung bei der Überstromüberwachung
herbeigeführt.
Da die Bauteile im Normalbetrieb für hohe Belastungen ausgelegt
sind, können
sie auch den auftretenden Kurzschlussstrom ohne zusätzliche
Kühlmaßnahmen übernehmen.
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Vorteilhafterweise
sind die Verpolschutzmittel als Verpolschutz-Spannungswandler ausgebildet, der
automatisch bei einem verpolt angeschlossenen Energiespeicher unter
Entnahme der Energie aus dem vergolten Energiespeicher aktiv wird.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
in der Eingangsleitung des Verpolschutz-Spannungswandlers eine erste
Schutzdiode angeordnet, die sicherstellt, dass der Verpolschutz-Spannungswandler
nur bei verpolt angeschlossenem Energiespeicher aktiviert wird.
Dadurch wird gewährleistet, dass
durch die zusätzlichen
erfindungsgemäßen Maßnahmen
kein Einfluss auf den Normalbetrieb des Spannungswandlers auftritt.
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In
entsprechender erfinderischer Weise ist in der Ausgangsleitung des
Verpolschutz-Spannungswandlers eine zweite Schutzdiode zum Verhindern eines
Rückstroms
vom Spannungswandler angeordnet, was gleichfalls zu einer sicheren
Funktionsweise im Normalbetrieb der Spannungsversorgungseinrichtung
beiträgt.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
die Ausgangsspannung des Verpolschutz-Spannungswandlers für die Ansteuerung
der Treiberschaltung der elektronischen Schalter des Spannungswandlers
verwendet.
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Ein
anderes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
sieht vor, dass der Ausgang des Verpolschutz-Spannungswandlers mit
der Steuerelektrode des mindestens einen elektronischen Schalters
des Spannungswandlers verbunden ist.
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Je
nach Anwendungsgebiet und Anwendungsfall kann der Spannungswandler
der Spannungsversorgungseinrichtung und/oder der Verpolschutz-Spannungswandler
als isolierender oder nicht isolierender DC/DC-Wandler ausgebildet
sein.
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Vorteilhafterweise
ist der Verpolschutz-Spannungswandler als Sperrwandler mit PWM-Ansteuerung
oder mit frei schwingendem Oszillator ausgebildet, wobei die Ausführung mit PWM-Ansteuerung mit einer
selbst haltenden Spannungsversorgung versehen sein kann, wodurch
auch bei geringer werdenden Eingangsspannungen noch eine ausreichende
Ausgangsspannung zur Verfügung
gestellt werden kann.
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In
einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel
ist der Verpolschutz-Sperrwandler als Flusswandler mit Meißneroszil lator
ausgebildet, der einen Betrieb auch bei sehr kleinen Eingangsspannungen ermöglicht.
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Zusammenfassend
sind als Vorteile der Erfindung aufzuzählen, dass keine zusätzliche
Verlustleistung im Normalbetrieb des Spannungswandlers auftritt,
dass die Erfindung in vielen Topologien verwendbar ist, dass eine
geringe Anzahl zusätzlicher Bauteile
notwendig ist und dass eine kosten- und Platzreduzierung möglich ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild für
eine Spannungsversorgungseinrichtung nach dem Stand der Technik
mit verpoltem Energiespeicher,
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2 eine
schaltungsgemäße Ausgestaltung
eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung,
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3 eine
detaillierte schaltungsgemäße Ausgestaltung
eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung
nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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4 eine
detaillierte schaltungsgemäße Ausgestaltung
eines Teils der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinrichtung
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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5 eine
schaltungsgemäße Ausgestaltung
eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verpol schutz-Spannungswandlers,
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6 eine
schaltungsgemäße Ausgestaltung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verpolschutz-Spannungswandlers, und
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7 eine
schaltungsgemäße Ausgestaltung
eines dritten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verpolschutz-Spannungswandlers.
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In 1 ist
eine Spannungsversorgungseinrichtung 1 für eine Last 2,
die beispielsweise als ein Kraftfahrzeug-Bordnetz ausgebildet ist,
dargestellt. Die Spannungsversorgungseinrichtung weist einen Energiespeicher 3,
z. B. eine Batterie auf, deren Anschlüsse verpolt an die positive
und an die negative bzw. Masseleitung 4, 5 angeschlossen
ist. Ein DC/DC-Wandler 6,
der zum Hochsetzen einer niedrigeren Eingangsspannung VLV in
eine höhere
Spannung VHV bzw. zum Tiefsetzen der letzteren
Spannung in eine Spannung VLV dient (durch
die Pfeile in der Figur angedeutet), ist entsprechend mit den Leitungen 4, 5 verbunden.
Weiterhin ist in die positive Leitung 4, dem isolierenden
Wandler 6 zugewandt, eine Sicherung 7 zum Absichern
des DC/DC-Wandlers 6 und der Last 2 zugewandt,
eine Sicherung 7' zum
Absichern der Last geschaltet. Obwohl eine Sicherung vorgesehen
ist, fließt
bei Verpolung kurzzeitig ein sehr hoher Kurzschlussstrom, der den
Wandler 6 zerstören
könnte.
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In 2 ist
der interne Aufbau des isolierenden Wandlers 6 teilweise
näher dargestellt,
wobei zusätzlich
ein Verpolschutz-Spannungswandler 8 vorgesehen ist. Bei
dem dargestellten Teil des Spannungswandlers 6 handelt
es sich um die niedervoltseitige Beschaltung einer Stromverdoppler-Topologie.
Selbstverständlich
sind andere aktiv geschaltete Spannungs- Wandler-Topologien verwendbar, wie solche
mit Vollbrücke,
Einweggleichrichtung, Gleichrichtung mit Mittelanzapfung, invertierte
Gleichrichtung mit Mittelanzapfung oder dergleichen verwendbar.
Die Schaltung nach 2 umfasst den der positiven
und negativen Klemme 9, 10 des Spannungswandlers 6 verbundenen
Energiespeicher 3, der hier gleichfalls im vergolten Zustand
dargestellt ist. Der Eingang des Spannungswandlers 6 ist über die
nicht dargestellte Sicherung 7 mit einem EMC-Filter 11 für die elektromagnetische
Verträglichkeit
versehen und zwischen positiver Leitung 4 und Masse schließen sich
zwei Kondensatoren, ein Ausgangskondensator 12 und ein
Arbeitskondensator 13 an, zwischen denen eine Filterspule 14 in
der positiven Leitung liegt.
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Der
Verpolschutz-Spannungswandler 8 ist invertiert an den zu
schützenden
Wandler 6 angeschlossen, d. h. der Minusanschluss 15 des
Verpolschutz-Spannungswandlers 8 ist an die positive Leitung 4 angeschlossen,
während
der positive Anschluss 16 an die negative bzw. Masseleitung 5 des Wandlers 6 angeschlossen
ist.
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Wie
oben ausgeführt,
ist nur die Niedervoltseite des DC/DC-Wandlers 6 dargestellt, die
Hochvoltseite ist an sich bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Mit
der positiven Leitung 4 an dem einen Anschluss des Arbeitskondensators 13 sind
zwei Speicherdrosseln LLV1 und LLV2 verbunden, die an eine Wicklung eines
Transformators 17 angeschlossen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind vier als MOSFETS ausgebildete elektronische Schalter T1, T2,
T3, T4 vorgesehen, wobei die Drain-Anschlüsse mit den Speicherdrosseln
LLV1, LLV2 bzw. dem
Transformator 17 und die Source-Anschlüsse mit Masse verbunden sind.
Die Gate-Elektroden werden von einem Gate-Treiber 18 angesteuert, der
wiederum von einer Steuereinheit 19 angesteuert wird, die
als PWM-Controller, als Mikrocompu ter oder als CPLD(complex programmable
logic device)-Mikrocontroller ausgebildet sein kann. Weiterhin steht
der Verpolschutz-Spannungswandler 8 mit dem Gate-Treiber 18 in
Verbindung. Die Funktionsweise des DC/DC-Wandlers 6 ist
allgemein bekannt und wird nicht weiter erläutert.
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In 3 ist
der Verpolschutz-Spannungswandler 8 sowie die Verbindung
des Wandlers mit einem Teil des Gate-Treibers 18 und einem
der elektronischen Schalter T1 dargestellt. Der Verpolschutz-Spannungswandler 8 umfasst
eine an den positiven Anschluss 16 angeschlossene Diode
D1, einen isolierenden DC/DC-Wandler 20, eine die Ausgangsspannung
stabilisierende Zehnerdiode ZD1 sowie eine mit einem Ausgang A des
Verpolschutzspannungswandlers 8 verbundene Diode D2. Die Schutzdiode
D1 am Eingang dient zur Aktivierung des DC/DC-Wandlers 20 bei
verpoltem Energiespeicher 3, ansonsten sperrt sie. Die
Diode D2 am Ausgang verhindert einen Rückstrom vom Gate-Treiber 18.
Hier ist nur die Verbindung des Verpolschutz-Spannungswandlers 8 mit einem
elektronischen Schalter gezeigt, damit bei mehreren Schaltern die
verschiedenen Steuerelektroden nicht direkt miteinander verbunden
sind, können
bei Bedarf mehrere Dioden wie D2 notwendig sein.
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Der
in 3 dargestellte Treiber für den elektronischen Schalter
T1 umfasst eine Logikschaltung 21, die einerseits mit der
Steuereinheit 19 und andererseits mit den Basiselektroden
von jeweils einem Transistor 22, 23 verbunden
ist. Die Emitter sind miteinander verbunden und ein zwischen Basis
und Emitter geschalteter Widerstand 24 stellt den Arbeitspunkt
ein. An dem Kollektor des Transistors 22 liegt die Treiberspannung
und der Kollektor des Transistors 23 liegt auf Masse. Die
Emitterelektroden der Transistoren 22, 23 sind
mit der Gate-Elektrode des MOSFET T1 verbunden, wobei ein Widerstand 25 zwischen
Gate-Elektrode und Masse die Steuerelektro de auch bei sonst stromloser
Elektronik im ausgeschalteten Zustand hält.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Ausgang A des Verpolschutz-Spannungswandlers 8 mit
der Gate-Elektrode des MOSFETS T1 verbunden. Wenn der Energiespeicher 3 verpolt
angeschlossen ist, schaltet die Diode D1 und aktiviert den DC/DC-Wandler 20,
der wiederum eine durch die Zehnerdiode ZD1 stabilisierte Ausgangsspannung liefert,
wodurch der Transistor T1 schaltet und es entsteht ein Spannungsabfall
an den Bauteilen 14, den Drosseln LLV1,
LLV2 und an dem MOSFET T1 bzw. den vier
MOSFETS T1 bis T4. Dadurch löst
die Sicherung 7 sicher aus.
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In 4 ist
eine Variante zu 3 dargestellt, wobei hier der
Ausgang A des Verpolschutz-Spannungswandlers die Treiberspannung
liefert und mit dem Kollektor des Transistors 22 verbunden.
Zusätzlich
ist ein weiterer Ausgang B vorgesehen, wobei eine Diode T3 zwischen
dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 20 und dem Ausgang B geschaltet
ist, die gleichfalls als Schutzdiode gegen Rückströme dient. Der Ausgang B ist
mit Widerständen 26, 27 für die Anpassung
an die Treibereingangsspannung verbunden. Die anderen Bauteile entsprechen
denen der 3. Im vorliegenden Fall schalten
die Transistoren 22, 23 durch, wenn an den Ausgängen A und
B des Verpolschutz-Spannungswandlers 8 eine
Spannung anliegt, wobei daraufhin der MOSFET T1 schaltet.
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In
den 5, 6, 7 sind verschiedene
Ausführungsbeispiele
für den
Verpolschutz-Spannungswandler 8 dargestellt, wobei 5 einen Sperrwandler
mit einem PWM-Controller zeigt. Entsprechend 5 weist
der Sperrwandler einen als MOSFET ausgebildeten Schalter 28 auf,
der mit einer Speicherdrossel 29, die Bestandteil eines
Transformators 30 ist, zwischen den positiven und negativen
Anschlüssen 15, 16 des
Verpolschutz-Spannungswandlers 8 liegt.
Der Schalter 28 wird von einem PWM-Controller 31 angesteuert,
wobei die dargestellten Widerstände
hier nicht weiter näher
beschrieben werden, sie dienen zur Einstellung der Arbeitspunkte
und der Schaltschwellen.
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Wenn
eine Spannung aus dem vergolten Energiespeicher 3 an den
Eingängen 15, 16 des
Spannungswandlers 8 anliegt, wird der Kondensator C1 aufgeladen
und der PWM-Controller 31 mit Spannung versorgt. Er schaltet
den Schalter 28 entsprechend der Ansteuerung in die Leit-
und die Sperrphase. In entsprechender Weise fließt ein Strom durch die Spule 29 des
Transformators 30 und es baut sich ein Magnetfeld auf.
In der Leitphase sperren die Dioden D4 und D5 und es gibt kein Energieübertrag.
In der Sperrphase kehrt sich die Spannung an den Wicklungen 32, 33 um
und es fließt
ein Strom über die
Dioden D4 und D5 und lädt
die Kondensatoren C2 und C3 auf. In der Leitphase liefert der Kondensator
C2 die Ausgangsspannung zum Schalten der elektronischen Schalter
T1 bis T4 der Spannungswandlers 6 wie oben beschrieben.
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Da
die Eingangsspannung an dem Verpolschutz-Spannungswandler 8 relativ
schnell abnimmt, muss auch ein Betrieb bei kleinen Eingangsspannungen
(0,1 V bis 12 V) möglich
sein und eine invertierte oder galvanisch getrennt Ausgangsspannung
von ca. 5 V bis 15 V erzeugt werden. Wenn die Eingangsspannung unter
einen bestimmten Spannungswert fällt,
z. B. unter 2 V, wird entsprechend der Ausführungsform nach 5 der
PWM Controller 31 über den
Kondensator C3 auf der Sekundärseite
des Transformators 30 versorgt, wobei die Anschlüsse I, II
des Kondensators, wie aus 5 zu erkennen
ist, an einer mit dem PWM-Controller 31 verbunden Diode
D7 und am negativen Anschluss 15 liegen. Somit hält sich
der Verpolschutz-Spannungswandler 8 eine Weile
selbst.
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In 6 ist
ein Verpolschutz-Spannungswandler 8 in Form eines Sperrwandlers
mit frei schwingendem Oszillator 34 dargestellt, der den elektronischen
Schalter 28 ansteuert. Dieser Sperrwandler arbeitet ähnlich dem
zuvor in Zusammenhang mit 5 beschriebenen.
Die Zenerdiode ZD2 dient als Schutzdiode gegen Spannungsspitzen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Verpolschutz-Spannungswandlers 8 in
Form eines Flusswandlers mit Meißner Oszillator zeigt 7. Die
Ausgangsseite des Spannungswandlers 8 ist wie in 6 ausgebildet.
Der als Gegentaktoszillator wirkende Oszillator 36 besteht
im Grunde aus zwei Meißner
Oszillatoren, wobei die frequenzbestimmenden Bauteile der Kondensator
C4 und die Spule 35 darstellen. Die Transistoren 37 und 38 werden
abwechselnd leitend. Die parallel geschalteten ohmschen Spannungsteiler
dienen zur Einstellung des Basis-Ruhepotentials. Diese Schaltung
nach 7 zeichnet sich dadurch aus, dass sie auch noch
bei kleinen Spannungen arbeitet.