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Schaltungen üblicher
Ausführung, wie beschrieben in der Patentanmeldung US 4634903 ”POWER
FET DRIVING CIRCUIT”, unterliegen gewissen Einschränkungen
hinsichtlich Frequenz und prozentualen Aussteuerzeiten von MOSFETs.
Dies liegt daran, dass ein Impulsübertrager, insbesondere
wenn er baulich klein sein soll, nur so lange übertragen kann,
bis sein Kern in die Sättigung geht und ein magnetischer
Freilaufimpuls in Gegenrichtung erfolgt. ”US 4634903” bezieht
sich auf eine MOSFET Ansteuerschaltung, die mit hoher, fester Schaltfrequenz arbeitet.
Beide Ansteuerimpulse arbeiten außerdem mit 180° fester
Phasenlage zueinander und einem Dutycycle, der bis maximal 50% betragen
kann. In der Schaltungsausführung dieser Anmeldung befindet
sich auf der primären Seite keine Schaltung, zum Unterdrücken
von Freilaufimpulsen des Übertragers. Falls ein solcher
Freilaufimpuls auftreten sollte, so wirkt dieser ebenfalls auf der
Sekundärseite im gleichem Sinne, weil auf der sekundären
Seite die Ausgänge beider magnetischen Übertragungsrichtungen über
Dioden in ihrer Vorwärtsrichtung zusammen geschaltet sind.
Deshalb schadet ein Freilaufimpuls nicht, sondern verlängert
lediglich das Signal. Diese Schaltung nutzt dabei nicht beide möglichen Übertragungsrichtungen
unabhängig von einander. Deshalb dürfen die primären
Ansteuerimpulse auch nicht mehr als 50% betragen. Ein sekundärer
Dutycycle des anzusteuernden MOSFETs ergibt sich ungefähr aus
der Verdoppelung der primären prozentualen Aussteuerung.
Beispielsweise führen 25% primäre wechselseitige
Steuerimpulse zu einer 50%-igen Aussteuerung des sekundären
MOSFETs.
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Bei
dem zitierten Stand der Technik ist der Freilaufimpuls des Übertragers
bedeutungslos, weil keine unterschiedlichen logischen Signale für
beide magnetischen Richtungen des Übertragers vorhanden
sind.
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Benutzt
man einen kleinen Übertrager, in dem bei niedrigen Frequenzen
Freilaufimpulse entstehen, so können durch eine Diode die
Freilaufimpulse unterdrückt werden. In der Patentanmeldung
DE 4312300 B4 wurden
bisher zwei Impulsübertrager eingesetzt, weil die Aufgabe
des Ein- und Ausschaltens jeweils eines MOSFETs auf zwei Übertrager
verteilt wird. Der Freilaufimpuls der einzelnen Übertrager
wird mit einer Diode auf der sekundären Seite gegen die
Signalrichtung kurzgeschlossen und die gespeicherte Energie des Übertragers
in der Diode und dem Innenwiderstand der Wicklung abgebaut.
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Der
Vorteil liegt darin, kleine Übertrager verwenden zu können,
der Nachteil allerdings darin, zwei verwenden zu müssen.
Ein weiterer Vorteil des Einsatzes zweier Übertrager liegt
darin, dass nur ein Treibertransistor pro Übertrager primär
angesteuert werden muss, dadurch kann es auch nicht durch gleichzeitige
fehlerhafte Ansteuerung zweier primärer Transistoren zu
einem Überstrom in einem der primären Treibertransistoren
kommen.
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Benutzt
man dagegen nur einen Impulsübertrager für beide
Signalrichtungen, so läßt sich ein eventuell auftretender
Freilaufimpuls nicht mehr mit einer ständig wirksamen Diode
unterdrücken, da die Funktion der Unterdrückung
nicht abgeschaltet werden kann und so eine gewollte Ansteuerung
in Gegenrichtung verhindert wird.
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Arbeitet
man mit nur einem Übertrager, wie es in dem Patent
JP61016619 ”DRIVING
CIRCUIT FOR FIELD EFFECT TRANSISTOR” beschrieben ist, so
muss beim Einschalten der primären Treibertransistoren,
außerdem darauf geachtet werden, dass keine Überströme
in den primären Treiber-MOSFETs
8 oder
9 auftreten,
insbesondere dann, wenn MOSFETs
8 und
9 versehentlich
gleichzeitig und zeitlich überschneidend eingeschaltet
werden. Der MOSFET der hinzu geschaltet wird, so lange der andere
noch in Gegenrichtung aktiv ist, arbeitet dann auf einen kurzgeschlossenen Übertrager und
es entsteht ein Überstrom in diesem MOSFET. Dies ist ein
Hauptproblem des älteren Standes der Technik. Hier erzeugt
eine Generatorschaltung aus einem PWM Eingangssignal Steuerimpulse
für den Signalübertrager. Bei einem PWM Eingangssignal mit
sehr kurzer Aussteuerung besteht die Gefahr, dass beide MOSFETs
8 und
9 gleichzeitig
leitend geschaltet werden können, weil die Steuerimpulse
eine kurze aber definierte und ausreichende Länge haben müssen,
die bei analoger Signalgerierierung zur zeitlichen Überschneidung
führen.
JP 61016619 zielte darauf
ab, über die Verbesserung der Generatorschaltung, überschneidende
Signale beider primären Treibertransistoren zu verhindern,
außerdem darf es unter keinen Umständen dazu kommen,
dass die Impedanz des Übertragers gelöscht wird,
d. h. das der Übertrager über eine Zusatzwicklung
kurz geschlossen wird und damit es auch nicht zu Überströmen
in den primären Treiber MOSFETs kommen kann. Die Zusatzwicklungen
des Übertragers besitzen einen Widerstand in Serie und
werden nur zur Bedämpfung über die fast volle
Periodendauer der PWM genutzt und dabei von MOSFETs angesteuert.
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Will
man beide Übertragungsrichtungen für unterschiedliche
Schaltaufgaben auf der sekundären Seite nutzen, und zwar
auch zu sehr niedrigen Frequenzen hin, braucht man ein neues Schaltungskonzept
für den Freilaufimpuls und man benötigt außerdem
ein Verfahren welches verhindert, dass primäre Treibertransistoren
nicht versehentlich auf einen in der Impedanz kurzgeschlossenen Übertrager
eingeschaltet werden.
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In
die eine Übertragungsrichtung soll ein MOSFET leitend,
in die Gegenrichtung soll er sperrend gesteuert werden. Nur wenige
Bauteilen sollen eine betriebssichere Schaltung ermöglichen,
die den Einsatz nur eines kleinen Übertragers auch für
niedrige Frequenzen zulässt. Die Bauteile sollen möglichst
nur geringe Kosten und zudem wenig Steuerenergie und -aufwand verursachen.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung enthält keine
analog generierten Treibersignale mehr, sondern es werden Nadelimpulse
aus einem PWM Modul eines Mikrocontrollers erzeugt und im Ablauf
per Software gesteuert. Die Programmierung verhindert, dass zwei
primäre Treibertransistoren, die entgegengesetzt auf den Übertrager
arbeiten, gleichzeitig eingeschaltet sind und einen Überstrom
zur Folge hätten.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung begrenzt den Strom
von der Versorgung zu den primären Wicklungen mit einem
Widerstand, so dass im Gegensatz zum Stand der Technik ein den Strom
limitierendes Bauteil dauernd für die primären
Treibertransistoren wirksam ist. Durch den Widerstand wird der Strom
begrenzt und zusätzlich wird auch durch den deutlichen
Spannungsabfall über den Widerstand ein Kondensatorentlade-
und Ladestrom, der den Wicklungskurzschluss steuert, erzeugt. Durch
diese Zusatzbeschaltung folgt immer einem digitalen Steuerimpuls
automatisch ein Wicklungskurzschluss.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltung können
entgegen gerichtete Signale übertragen werden, in dem immer
automatisch zwei bipolare Transistoren den Übertrager in
seiner Impedanz kurz schließen, so dass ein ungewolltes
Steuersignal auf der sekundären Seite, das unmittelbar
einem gewolltem Signalimpuls folgt, unterdrückt wird.
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Damit
die Transistoren, die den Übertrager kurzschließen,
nicht aktiv sind, wenn einer der beiden primären Treibertransistoren
leitend ist, wird das Ansteuersignal für das Kurzschließen
aus dem Ladestrom des oben erwähnten Kondensators gewonnen.
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Die
Erzeugung der Steuerimpulse mit einem Mikrocontroller ermöglicht
es, mit geringem Bauteilaufwand und nur einem Übertrager
ohne Einschränkungen von Bandbreite und Austaktungszeiten
MOSFETs galvanisch getrennt anzusteuern. Das Ansteuersignal zum
Kurzschließen der Wicklungen wird automatisch aus der Zusatzbeschaltung
gewonnen und geht damit nicht zu Lasten der Rechenleistung eines Mikrocontrollers.
Höhere PWM Frequenzen würden sonst die Rechenleistung
des Mikrocontrollers einschränken.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in der
Kostenersparnis, da ausschließlich bipolare Transistoren
als primäre Transistoren verwendet werden. Die Erfindung
ist dennoch hinsichtlich der aufzuwendenden Steuerleistung sehr
effizient, da die Ansteuerzeiten aller primären bipolaren Transistoren
nur sehr kurz sind. Die Betriebssicherheit der Schaltung ist hoch,
weil ein Widerstand die Stromaufnahme begrenzt und durch das Nichtverwenden
von MOSFETs als Treiber, deren Gates dann auch nicht durch Überspannungen
gefährdet werden können.
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Die
primären Steuersignale werden auf die Sekundärseite übertragen.
Zum Beispiel wird ein erstes Signal SIG1 zum Einschalten, ein zweites,
entgegengesetzt gerichtetes Signal SIG2 zum Ausschalten eines MOSFETs
genutzt. Es wird verhindert, dass bereits unmittelbar am Ende von
SIG1 oder SIG2 ein entgegen gerichtetes Signal entstehen kann. Zu
diesem Zweck schließt je ein Transistor nach jedem Signal
SIG1 oder SIG2 die magnetische Flussrichtung des Übertragers
in Gegenrichtung kurz, so bald durch einen Freilaufimpuls eine Fehlsteuerung
zu erwarten wäre. Durch diesen Wicklungskurzschluss werden
auch gleichzeitig alle anderen Wicklungen des Übertragers
magnetisch kurzgeschlossen, so dass eine Fehlübertragung
in Gegenrichtung effektiv ausgeschlossen werden kann. Die Entmagnetisierung
erfolgt gleichzeitig und automatisch durch Transistoren, die am
Ende jedes vorausgegangenen Signals SIG1 oder SIG2 durch den Rückladestrom
des an der primären Versorgung angeschlossenen Kondensators
angesteuert werden. Die Transistoren, die den Übertrager
kurzschließen, könnten auch direkt vom Mikrocontroller
gesteuert werden. Bei höheren Frequenzen erfordert dies
aber viel Rechenleistung, da alle vier primären Signale
nicht mehr aus dem gleichen PWM Modul des Mikrocontrollers selbst
erzeugt werden können. Die erfindungsgemäße
Schaltung vermeidet bei einem komplexen Softwareablauf Fehler und
dessen Folgeschäden. Die erfindungsgemäße
Schaltung ermöglicht galvanisch getrenntes Ein- und Ausschalten
eines einzelnen MOSFETs aber insbesondere auch die komplementäre
Ansteuerung von MOSFETs einer Inverterschaltung.
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Die
Anzahl der MOSFETs, die man gleichzeitig und galvanisch getrennt
ansteuern kann, hängt von der Anzahl der Sekundärwicklungen
ab, die man in einem Übertrager unterbringen kann. Die
Wicklungen lassen sich nur mit gewissem Aufwand auf einem Wickelkörper
unterbringen, da hierfür entsprechend Anschlussstifte und
ausreichende Isolation zwischen den Wicklungen gewährleistet
werden muss.
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Die
Ausführung eines Impulsübertragers wird erfindungsgemäß im
Patentanspruch 5 dadurch verbessert, dass anstelle eines klassischen
Wickelkörpers mit Draht, die Wicklungen in einer Leiterplatte
mit mehreren Lagen untergebracht werden und ein Übertragerkern
in Planarform mit geringen Abmessungen eingesetzt werden kann. Die
nötige Isolation ist durch das Leiterplattenmaterial und
die Abstände der Leiterbahnen gegeben.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der 3 und 4 erläutert. 1 und 2 veranschaulichen
das Prinzip.
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1 zeigt
die Grundschaltung mit einem Übertrager mit Wicklungen
zum Kurzschließen und primären Wicklungen, die
entgegengesetzte Impulse auf die sekundäre Seite übertragen
sollen.
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2 zeigt
einen gewünschten Signalverlauf der Schaltung aus 1.
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3 zeigt
eine Ausführung der erfindungsgemäßen
Schaltung, die dem Signalverlauf aus 2 entspricht.
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4 zeigt
eine weitere Ausführung der Schaltung von 3,
bei der mit Hilfe einer Signalpegelumkehrung durch zwei PNP Transistoren
die Primärwicklungen kurzgeschlossen werden.
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1 dient
zur Erläuterung des Verfahrens der Signalfolge des Übertragers:
Es wird die Grundschaltung und Wicklungsausführung des Übertragers Ü1
gezeigt bei dem zwei sekundäre MOSFETs M1 und M2 komplementär
angesteuert werden. Der Übertrager kann in zwei unterschiedlichen
Richtungen angesteuert werden. Als Eingangssignale für SIG1
und SIG2 werden jeweils kurze Rechteckimpulse verwendet. Die Länge
der Impulse ist so gewählt, dass eine ausreichend lange
Ansteuerung auf der Sekundärseite w3, w4, w7, w8 des Übertragers
vorhanden ist. Es darf aber nicht zu einer magnetischen Sättigung
des Übertragerkerns kommen. Ein Impuls SIG1 steuert über
R1 einen Transistor T1 an, der an die Wicklung w1 einen Impuls mit
der Versorgung +12V legt.
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Der
primäre Impuls an w1 bewirkt einen positiven Impuls am
Ausgang der Wicklung w3, der über eine Diode DG1 das Gate
eines MOSFETs GM1 auflädt. Der primäre Impuls
an w1 bewirkt aber auch gleichzeitig einen positiven Impuls an der
Wicklung w8, am Verbindungspunkt zu dem Widerstand R9, über
den ein Basis-Strom den Transistor T6 leitend schaltet und damit
das Gate des zweiten MOSFETs GM2 entlädt.
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Für
den Impuls in die magnetisch entgegengesetzte Richtung gilt entsprechend:
Ein Impuls SIG2 steuert über R2 einen Transistor T2 an,
der an die Wicklung w2 einen Impuls mit der Versorgung +12V legt.
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Der
primäre Impuls an w2 bewirkt einen positiven Impuls am
Ausgang der Wicklung w4, der über eine Diode DG2 das Gate
eines MOSFETs GM2 auflädt. Der primäre Impuls
an w2 bewirkt aber auch gleichzeitig einen positiven Impuls an der
Wicklung w7, am Verbindungspunkt zu dem Widerstand R6, über
den ein Basis-Strom den Transistor T5 leitend schaltet und damit
das Gate des ersten MOSFETs GM1 entlädt.
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In
der Schaltung aus 1 befinden sich zwei Wicklungen
w5 und w6. Zwei Signale DELSIG1 und DELSIG2 steuern über
Widerstände R3 und R4 jeweils Transistoren T3 und T4 an,
die die Wicklungen w5 und w6 kurzschließen. Dabei kann
innerhalb einer der beiden Wicklungen der Strom nur jeweils in eine
Richtung fließen. Hat DELSIG1 einen hohen Signalpegel und
ist die Wicklung w5 kurzgeschlossen, so wird ein mögliches
Signal SIG1 gelöscht. Dieser Wicklungskurzschluss betrifft
alle Wicklungen in der Richtung des Signals SIG1. Ist das Signal
DELSIG2 aktiv, so wird ein mögliches Signal SIG2 gelöscht.
Es erfolgt in umgekehrter Richtung zu SIG1 ein Wicklungskurzschluss
für alle Wicklungen in Richtung des Signals SIG2. DELSIG1
und DELSIG2 sind jedoch nicht nur für das Sperren eines
Signalflusses von SIG1 und SIG2 über den Übertrager
gedacht, sie sollen die Freilaufimpulse des Übertragers
löschen und die im Magnetfeld des Impulsübertragers
gespeicherte Energie abbauen, ohne dass es zu einer fehlerhaften,
sekundären Signalinterpretation auf dem jeweils anderen,
entgegengesetzt gerichteten Kanal kommt. Kommen Impulsfolgen nur über
SIG1 und man möchte überhaupt keine Signale SIG2 übertragen,
so ist dies nur dadurch möglich, dass der Freilaufimpuls
des Übertragers über das Ansteuern von DELSIG2
unterdrückt wird. DELSIG2 muss hierfür unmittelbar
nach einem Signalimpuls von SIG1 erfolgen. Der Ablauf in die andere
Richtung erfolgt entsprechend.
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In 2 wird
der gewünschte zeitliche Signalablauf hierfür
gezeigt. Der gestrichelte Bereich ml zeigt ein einzelnes, übertragenes
Signal SIG1 zu GM1, auf deren Übertragungsende ein sofortiger DELSIG2
Pegel erfolgt, um eine Fehlübertragung auf GM2 zu unterdrücken.
Entsprechend sieht in Gegenrichtung die Ansteuerung für
SIG2 und DELSIG1 aus. Im gestrichelten Block m2 wird deutlich, dass
die Wicklungen w5 und w6 nicht kurzgeschlossen sein dürfen,
falls eine schnelle wechselseitige Impulsfolge von SIG1 und SIG2
stattfindet. Das Ummagnetisieren erfolgt dann hier wechselseitig
gewollt. Ein vorzeitiger Freilaufimpuls kann nicht auftreten, weil
der Eisenkern des Übertragers Ü1 nicht in die
Sättigung kommen konnte. Falls es zu einer Signalüberschneidung
von SIG1 und DELSIG1, bzw. SIG2 und DELSIG2 kommen sollte, würden
in der Schaltungsausführung von 1 die Transistoren
T1 oder T2 die Versorgung +12V auf einen kurzgeschlossenen Übertrager
schalten und zu einer Zerstörung der Baugruppe führen.
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3 zeigt
nun ein komplettes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltung die die Schaltung aus 1 auf der
linken Seite vervollständigt. Die Nadelimpulse SIG1 und
SIG2 kommen aus den Anschlüssen PWM1 und PWM2 des Mikrocontrollers
MCU, z. B. Type PIC18F4431, und gelangen an die Widerstände
R1 und R2.
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In 3 wird
die Ansteuerung zur Erzeugung von DELSIG1 und DELSIG2 vereinfacht.
Die Widerstände R3 und R4 sind an einem Punkt mit dem Kondensator
C1 und der Diode D1 miteinander verbunden. Diese Verbindung ist
der Ausgangspunkt für die Steuersignale DELSIG1 und DELSIG2.
Wie man aus der 2 entnehmen kann, ist die Ansteuerung der
Signale DELSIG1 und DELSIG2 zeitlich länger aktiv als die
Rechteckimpulse von SIG1 und SIG2. DELSIG1 und DELSIG2 müssen
so lange andauern, bis der Übertrager vollständig
entmagnetisiert ist. Dieser Vorgang kann eine längere Zeit
erfordern als die Ansteuersignale SIG1 und SIG2. Um die Steuerströme
in den Widerständen R3 und R4 in Richtung der Transistoren
T3 und T4 zu minimieren, sollte die Dauer aber nur nur so lange
wie nötig sein.
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Die
Schaltung aus 1 ist erweitert für
eine in beide Richtungen automatisch und gleichzeitig erfolgende
Entmagnetisierung des Übertragers am Ende jedes Steuersignals
SIG1 oder SIG2. Die Schaltung ist um den Widerstand R5, den Kondensator
C1 und der Diode D1 und dem Mikrocontroller MCU erweitert. Der Widerstand
R5 begrenzt die Stromaufnahme aus der Versorgung +12V. Die durch die
Signale von SIG1 und SIG2 am Widerstand R5 verursachten Spannungsabfälle
bilden an dem angeschlossenem Kondensator C1 Verschiebeströme,
die über die Widerstände R2 und R3 die Transistoren
T3 und T4 ansteuern und so die zugeordneten Wicklungen w5 und w6
für sich richtungsgebunden und gleichzeitig kurzschließen.
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Die
Entladung des Kondensators C1 erfolgt über die Diode D1
in die primären Wicklungen w1 oder w2 und das Laden des
Kondensators beginnt mit dem Ende des Signals SIG1 oder SIG2 und
mit dem gleichzeitigen Ansteuern der Transistoren T3 und T4.
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4 zeigt
eine Änderung der Schaltung 3 mit vereinfachtem Übertrager Ü2
und zusätzlichen Bauteilen, aber bei gleichem Funktionsprinzip jedoch
unter Wegfall der Wicklungen. Die Wicklungen w5 und w6 sind entfallen,
weil mit zwei zusätzlichen PNP Transistoren T7 und T8 die
Primärwicklungen w1 und w2 in beide Richtungen kurz geschlossen
werden können. Der Transistor T3 steuert die Transistoren
T7 und T8 über den gemeinsamen Basiswiderstand R10 und über
je eine Diode D2 und D3 an, die dann die Wicklungen w1 und w2 kurz
schließen. Dabei wird die an den Emittern auftretende Spannung
beibehalten ohne diese an Massepotential zu legen. Je eine Diode
D2 oder D3 verhindert das Überschreiten der Basis-Emitter-Durchbruchspannung
eines der PNP Transistoren T7 oder T8, während einer Signalphase
SIG1 oder SIG2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4312300
B4 [0003]
- - JP 61016619 [0006, 0006]