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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung für Kleinleistungsnetzteile, insbesondere eine Vorrichtung zur Regelung für Kleinleistungsnetzteile welche in 3-Wege-Messconvertern zum Einsatz kommen können.
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Aus dem Stand der Technik sind Schaltnetzteile zur Regelung einer konstanten, unipolaren Ausgangsspannung mit Rückkopplung über einen Opto-Koppler bekannt.
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Weiterhin ist aus
DE 103 22 262 A1 bekannt, wie in einem Signal-Speise-Trenner für Live- und Dead-Zero-Messsignale die Versorgungsspannung einer Ausgangsstufe zur Leistungsreduzierung geregelt werden kann.
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Aus
DE 10 2007 006 503 A1 ist bekannt, wie in einem Signal-Trenner mit Gleichstromübertrager durch eine Reihenschaltung aus Linearregler und Schaltregler die Versorgungsspannung einer Ausgangsstufe zur Leistungsreduzierung geregelt werden kann.
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Die
US 2003/0035304 A1 beschreibt eine Leistungsversorgung zum Umwandeln von elektrischer Wechselstromnetzleistung in variierende elektrische Gleichstromleistung, um eine Audioverstärkungs- und -Wandlungsschaltkreisanordnung mit Leistung zu versorgen, wobei die Schaltkreisanordnung eine Mehrzahl von Eingangskanälen und jeder Kanal ein Audiosignal aufweist. Dabei umfasst die Leistungsversorgung eine Verbindung, um die Leistungsversorgung mit einer Quelle für Wechselstromnetzleistung zu verbinden, eine mit der Verbindung elektrisch gekoppelte, erste Wandlervorrichtung, die ausgelegt ist, die Wechselstromnetzleistung in Gleichstromleistung umzuwandeln und einen mit der ersten Wandlervorrichtung elektrisch gekoppelten Schaltkreis, der ausgelegt ist, die Gleichstromleistung von der ersten Wandlervorrichtung in steuerbare Wechselstromleistung umzuwandeln. Dabei ist der Schaltkreis steuerbar, so dass die steuerbare Wechselstromleistung von der Schaltvorrichtung eine variable Frequenz aufweist. Ferner ist ein Leistungswandlerschaltkreis mit einem Resonanzschaltkreis vorgesehen, dessen Ausgangsspannung mit einem Verhältnis der variablen Frequenz zu seiner Resonanzfrequenz in Beziehung steht, wobei der Leistungswandlerschaltkreis elektrisch mit der ersten Wandlervorrichtung verbunden ist und auf die variable Frequenz anspricht, um eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die mit der variablen Frequenz in Beziehung steht.
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Ferner ist aus der
DE 198 37 639 A1 eine Schaltungsordnung für einen Überlastschutz in einem Wandler bekannt. Bei Überschreitung eines Strommesswertes und bei einer Verringerung der Spannung am Ausgang eines ersten Umrichters unter einen Spannungswert, bei der eine sichere Durchschaltung von PMOS-Transistoren in einer sekundärseitig des zweiten Umrichters angeordneten Gleichrichtereinheit nicht mehr ermöglicht ist, wird der erste Umrichter gesperrt.
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Schließlich beschreibt die
US 2006/0186870 A1 ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung an einer Ausgangslast mit den folgenden Schritten: Empfangen einer Ausgangsspannung an einer Stromquelle, Liefern eines Stroms von der Stromquelle an eine Referenzlast, wobi die Stromquelle und die Referenzlast parallel zur Ausgangslast geschaltet sind, Messen einer Kopfraumspannung mit einer Kopfraumerfassungsschaltung, also die Differenz zwischen der Ausgangsspannung und dem Spannungsabfall über der Referenzlast, und Einstellen der Ausgangsspannung, um diese basierend auf der gemessenen Kopfraumspannung innerhalb einer gewünschten Betriebstoleranz zu halten.
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Nachteilig an den bekannten Regelungen ist, dass, wenn eine bipolare Versorgungsspannung zum Treiben einer Ausgangsstufe notwendig ist, entsprechende Regelungen zweimal nämlich sowohl für eine positive als auch eine negative Versorgungsspannung vorhanden sein muss.
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Weiterhin nachteilig an bekannten Regelungen ist, dass das Treiben hoher Bürden bei konstanter Versorgungsspannung zu hohen Verlustleistungen führen kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Regelung zur Verfügung zu stellen, die den Aufwand bei einer Regelung einer bipolaren Versorgungsspannung zum Treiben einer Ausgangsstufe minimiert.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine Regelung zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt auch hohe Bürden zu treiben und die Verlustleistung zu minimieren.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, dass die Regelung unabhängig von der Art des Ausgangssignals (Strom oder Spannung) sein soll.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer effektiven Maßnahme, um im Überlastfall die Verlustleistung zu minimieren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Steuergröße galvanisch getrennt übertragen.
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In einer Fortbildung der Ausgestaltung der Erfindung wird die galvanische Trennung durch einen Opto-Koppler realisiert.
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In einer weiteren Ausführungsform steuert die Regelungseinrichtung ein Step-Down-Wandler.
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In einer alternativen Ausführungsform steuert die Regelungseinrichtung ein SEPIC-Wandler In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Regelung der Schaltnetzteilstufe auf einem von der Ausgangsstufe gewonnen Steuergröße eine analoge Regelungseinrichtung.
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In noch einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Strombegrenzungseinrichtung auf, welche im Überlastall den Ausgangsstrom begrenzt.
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In einer Fortbildung der weiteren Ausführungsform erkennt die Strombegrenzungseinrichtung den Überlastfall auf der Ausgangsseite der Ausgangsstufe.
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In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltnetzteilstufe eine Eingangsstufe und eine mit dem Ausgang der Eingangsstufe verbundenen Flusswandler auf, wobei der Flusswandler zur Erzeugung einer negativen und einer positiven Versorgungsspannung zum Treiben der Ausgangsstufe eingerichtet ist.
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In einer noch weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltnetzteilstufe einen Sperrwandler auf.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Verweis auf die Figuren eingehender erläutert werden. In diesen zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Regelung gemäß einer Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Regelung gemäß einer weiteren Ausführungsform,
- 3 einen schematischen Schaltplan eines Teils einer erfindungsgemäßen Regelung gemäß einer Ausführungsform, welcher insbesondere eine analoge Regelung darstellt,
- 4 einen schematischen Schaltplan eines Teils einer erfindungsgemäßen Regelung gemäß einer Ausführungsform, welcher insbesondere eine Spannungsbegrenzungsbeschaltung darstellt,
- 5 einen schematischen Schaltplan eines Teils einer erfindungsgemäßen Regelung gemäß einer Ausführungsform welcher insbesondere eine Spannungsbegrenzungsbeschaltung für invertierende Steuersignale darstellt,
- 6 einen schematisierten Schaltplan eines Teils einer erfindungsgemäßen Regelung gemäß einer Ausführungsform, welcher insbesondere eine Strombegrenzungsbeschaltung darstellt.
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Nachfolgend wird unter Bezug auf 1 und 2 die Erfindung näher erläutert.
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In 1 ist eine Schaltnetzteilstufe 250 gezeigt. Diese kann z.B. Teil eines Schaltnetzteiles 100 sein.
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Die Schaltnetzteilstufe 250 ist dazu eingerichtet eine positive (+UV) und negative (-UV) Versorgungsspannung zum Treiben der Ausgangsstufe 400 zur Verfügung zu stellen.
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Weiterhin dargestellt ist eine Masseleitung, die je nach Erfordernis der Ausgangsstufe vorhanden sein kann oder nicht. Ist siehe nicht vorhanden, so befindet sich die Schaltnetzteilstufe auf gleichem Potential mit der Ausgangsstufe und es findet keine galvanische Trennung statt.
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Im Betrieb wird die Schaltnetzteilstufe eingangsseitig mit einer Betriebsspannung beaufschlagt.
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Auf der Ausgangsseite 500 der Ausgangsstufe 400 ist ein Verbraucher als Last dargestellt. Am Verbraucher fällt die Bürdenspannung UB ab
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In einer Ausführungsform der Schaltnetzteilstufe 250 weist diese - wie in 2 dargestellt - eine Eingangsstufe 200 und einen Flusswandler 300 zur Erzeugung einer positive (+UV) und einer negative (-UV) Versorgungsspannung zum Treiben der Ausgangsstufe 400 auf.
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In einer alternativen Ausführungsform der Schaltnetzteilstufe 250 weist die Schaltnetzteilstufe einen Sperrwandler auf.
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Um nicht für die positive +UV und negative -UV Versorgungsspannung der Ausgangsstufe jeweils eine Regelung aufbauen zu müssen, wird die Regelung vor der Erzeugung der positive +UV und negative -UV Versorgungsspannung in der Schaltnetzteilstufe 250, 200, 300 durchgeführt.
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In bisherigen Vorrichtungen war die Aufgabe des Schaltnetzteils aus einer toleranzbehaftete Betriebsspannung, z.B. 20 ... 30V, eine konstante unipolare Spannung, z.B. 15V, zu erzeugen. Dabei war das Ziel einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
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In der Erfindung wird die Schaltnetzteilstufe 250; 200, 300 nun dahingehend aufgebaut, dass nicht mehr die Versorgungsspannung der Ausgangsstufe konstant gehalten wird, sondern die Versorgungsspannung der Ausgangsstufe 400 der benötigten Bürdenspannung UB des Ausgangs 500 nachgeführt wird.
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Das hierzu benötigte Regelsignal wird aus der Ausgangsstufe 400 gewonnen und galvanisch getrennt zur Steuerschaltung übertragen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung, welche näher unter Bezug auf 3 erläutert werden wird, wird die galvanische Trennung mittels eines Opto-Kopplers 140 realisiert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung, um die Strombegrenzung der Ausgangsstufe 400 zu verbessern, weist die Schaltnetzteilstufe 250 eine Strombegrenzungseinrichtung 130 auf.
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Dies ist von besonderem Vorteil, da bei bipolaren Ausgängen die Strombegrenzungseinrichtung 130 nur einmal vorhanden sein muss und somit der Aufwand minimiert wird.
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Eine besonders einfache Lösung ergibt sich auch hier, wenn das zur Spannungsversorgung schon vorhandene Schaltnetzteil mit einbezogen wird.
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Die vorgeschlagene Strombegrenzungseinrichtung 130 greift so in die Regelung ein, dass der Ausgangsstrom, den die Schaltnetzteilstufe 250 liefern kann, bei Überlast oder Kurzschluss des Ausgangs, begrenzt wird.
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Bei Überschreitung eines Grenzstroms schaltet die Schaltnetzteilstufe 250 von einer Spannungsregelung auf eine Stromregelung um und begrenzt so den Ausgangsstrom auf einen festen Wert. Der Wirkungsgrad des Schaltnetzteils bleibt dabei annähernd gleich. Die Verlustleistung der Ausgangsstufe bei Überlast oder Kurzschluss der Signalausgangstufe ist gegenüber de bisher verwendeten Schaltung deutlich geringer.
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In 2 ist eine Ausführungsform der Schaltnetzteilstufe 250 dargestellt. Die Schaltnetzteilstufe 250 weist einen Step-Down-Wandler 200 mit nachgeschaltetem Flusswandler 300 auf.
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In einer alternativen Ausführungsform weist die Schaltnetzteilstufe 250 einen SEPIC-Wandler mit nachgeschaltetem Flusswandler 300 auf.
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Der Flusswandler 300 stellt eine galvanisch getrennte positive (+UV) und negative (-UV) Versorgungsspannung zum Treiben der Ausgangsstufe 400 zur Verfügung.
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Für die Regelung der Versorgungsspannung der Ausgangsstufe 400 wird über eine Auswerteschaltung, die als Analogregler 150 arbeitet, das Regelsignal aus der Ausgangsstufe 400 gewonnen.
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In 3 ist ein schematisierter Schaltplan eines Teils, insbesondere eine analoge Regelung dargestellt.
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Der Leistungsbedarf des Analogreglers 150 wird durch die Ausgangstufe 400 ausgeregelt.
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Die Transistoren T3, T4 und die Diode D1 eines Opto-Koppler 140 sind in Reihe geschaltet.
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Der Analogregler 150 steuert den Diodenstrom des Opto-Kopplers 140 so, dass der Transistor T2 des Opto-Kopplers 140 das Puls-Pause-Verhältnis des Schaltnetzteils so einstellt, dass die Versorgungsspannung +UV der Ausgangsstufe bei positiver Aussteuerung der Ausgangsstufe um ca. 0,7V (UBE von T3) größer und die Versorgungsspannung -UV bei negativer Aussteuerung ca. 0,7V (UBE von T4) kleiner ist als die Bürdenspannung UB.
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Bei positiver Aussteuerung der Ausgangstufe 400 regelt T3 den Diodenstrom und T4 ist komplett durchgeschaltet.
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Bei negativer Aussteuerung der Ausgangstufe 400 regelt T4 den Diodenstrom und T3 ist komplett durchgeschaltet.
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Der Analogregler 150 arbeitet somit wie ein Gleichrichter für die Bürdenspannung UB.
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Mit den Widerständen, welche im Analogregler 150 schematisch im Basiszweig bzw. zwischen T3 und D1 dargestellt sind, wird der Arbeitspunkt des Analogreglers 150 eingestellt.
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Der Transistor T2 des Opto-Kopplers 140 erzeugt mit Hilfe von T1 die Steuerspannung UST und verändert das Puls-Pausen-Verhältnis gemäß den Erfordernissen der Bürdenspannung UB.
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Insofern kann man verallgemeinert sagen, dass die erfindungsgemäße Regelung eine Regelgröße für die Schaltnetzteilstufe 250 unmittelbar aus dem Ausgangssignal gewinnt.
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In 4 ist ein schematischer Schaltplan eines Teils einer erfindungsgemäßen Regelung gemäß einer Ausführungsform, insbesondere eine Spannungsbegrenzungsbeschaltung dargestellt.
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Wird eine Begrenzung der Spannung am Ausgang 500 gewünscht, kann ein Spannungsbegrenzendes Bauelement, z.B. eine Z-Diode D2, mit dem Transistor T2 des Opto-Kopplers 140 in Reihe geschaltet werden.
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Erkennt die Spannungsbegrenzungsbeschaltung, dass die Ausgangsspannung des am Ausgang 500 zu groß ist, versucht sie durch Verringerung der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistor T2 im Opto-Koppler 140 dieser zu hohen Ausgangsspannung entgegen zu wirken.
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Wird ein bestimmter Grenzwert erreicht, wird der Transistor T2 im Opto-Koppler 140 ganz durch geschaltet.
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Nun wird U1 auf den Wert, der sich aus der Addition der Basis-Emitter-Spannung von T1, der Spannung UZ2 an der Z-Diode D2 und der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung von T2 ergibt, geregelt.
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Somit kann über die Auswahl des Spannungswertes der Z-Diode D2 die untere Grenze für U1 bestimmt werden.
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Die obere Grenze kann durch eine zusätzliche Z-Diode D3 in ähnlicher Weise festgelegt werden.
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Obwohl vorstehend die Spannungsgrenzen mit Hilfe von Dioden verwirklicht wurden sind andere Ausführungsformen zur Realisierung von Ober- und / oder Untergrenzen natürlich nicht ausgeschlossen.
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Somit ist es möglich in Ergänzung zu der sonstigen Bürden-orientierten Regelung auch noch Ober- und / oder Untergrenzen der Regelung festzulegen.
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In einer alternativen Ausführungsform, d.h. wenn eine Steuerschaltung eingesetzt wird, die am Eingang ein invertiertes Steuersignal UST benötigt, kann die Schaltung nach 5 eingesetzt werden.
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6 zeigt einen schematisierten Schaltplan eines Teils einer erfindungsgemäßen Regelung gemäß einer Ausführungsform, insbesondere eine Strombegrenzungsbeschaltung 130.
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Für die Strombegrenzungsbeschaltung 130 wird ein Fühlwiderstand R4 in die Ausgangsleitung der Eingangsstufe 200, z.B. eines Step-Down-Wandlers, eingebaut. Parallel zu R4 liegt die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T5.
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Wird der Strom I1 zu groß, wird T5 aufgrund des Spannungsabfalls an R4 leitend. Damit erzeugt T5 die Steuerspannung UST.
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Da die Spannungsregelung der Versorgungsspannung der Ausgangsstufe 400 erkennt, dass die Versorgungsspannung der Ausgangsstufe 400 durch die Kurzschlusserkennung herunter geregelt wird, versucht sie der Verringerung der Versorgungsspannung dadurch entgegen zu wirken, dass der Transistor T1 hochohmiger gesteuert wird.
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Der hochohmige Transistor T1 kann aber den leitenden parallel liegenden Transistor T5 nicht mehr beeinflussen.
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Somit hat die Regelung auf konstanten Strom Vorrang vor der Regelung der Versorgungsspannung der Ausgangsstufe.
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Der Überlastfall wird somit auf der Ausgangsseite der Ausgangsstufe 400 erkannt. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine Überlast oder ein Kurzschluss der Ausgangsstufe zu hohen Strömen und einhergehenden Verlustleistung führen kann.
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Insbesondere kann die Erfindung die Regelung von bei bipolaren Stromsignalen (z.B. - 20mA...20mA) und von bipolares Spannungssignal (z.B. -10V... 10V) bewerkstelligen.
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Diese Schaltungskonzepte kann bei allen Signal-Trennern eingesetzt werden.
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Eine besonders einfache Lösung ergibt sich, wenn die Regelung in Kleinleistungsschaltnetzteile integriert wird.
