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Stand der Technik
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Es ist bekannt, Spannungsquellen wie sie üblicherweise für Fahrzeuge mit Elektromotor verwendet werden, sogenannte Batterie-Packs, mit einem Mikrocontroller auszustatten. Der Mikrocontroller übernimmt Funktionen wie beispielsweise die Überwachung und Anzeige des Ladezustands, Schutz- oder Wartungsfunktionen oder Kommunikation mit anderen Komponenten. Er wird üblicherweise durch einen Taster gestartet und schaltet sich selbsttätig wieder ab.
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Der Taster aktiviert während des Tastendrucks über eine sogenannte Wake-Up Schaltung die Spannungsversorgung des Mikrocontrollers. Da im Ruhezustand die gesamte Elektronik zur Steuerung des Batterie-Packs inaktiv ist, muss der Taster zum Aktivieren des Mikrocontrollers das gesamte Potential des Batterie-Packs schalten. Der Tastendruck muss mindestens während der Zeitdauer, die der Mikrocontroller zum Starten benötigt, aktiv sein. Danach fließt kein Strom mehr in der Wake-up Schaltung und der Mikrocontroller übernimmt selbst die Kontrolle über seine Spannungsversorgung. Beim Herunterfahren schaltet der Mikrocontroller selbsttätig die Spannungsversorgung ab und wartet darauf, dass die Spannung unter die Betriebsgrenze absinkt. Im abgeschalteten Zustand liegt die Gesamtstromaufnahme einer derartigen Schaltung im Bereich von wenigen μA.
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Wenn jedoch aufgrund von Störungen das Abschalten nicht möglich ist, etwa weil aufgrund einer mechanischen oder elektrischen Fehlfunktion des Tasters die Wake-up Schaltung dauerhaft aktiv ist, liegt die Gesamtstromaufnahme im Bereich von mehreren mA. Je nach Kapazität der Spannungsquelle führt dies innerhalb einer kurzen Zeit, die typischerweise einige Tage beträgt, zu einer Tiefentladung. Besonders Li-Ionen Batterien werden damit unbrauchbar, da sie durch die Tiefenentladung dauerhaft schwer geschädigt werden.
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Eine derartige Störung kann beispielsweise auch auftreten, wenn ein abnehmbar ausgestalteter Batterie-Pack auf den Taster gelegt wird, so dass der Taster durch das Gewicht des Batteriepacks dauerhaft gedrückt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere einer Spannungsquelle vor, die die beschriebenen Probleme vermeidet, indem der Stromfluss abhängig von einer vorliegenden Spannung, insbesondere bei einer drohenden Tiefentladung, unterbrochen wird. Die Erfindung ist für jede elektrische Vorrichtung geeignet, die eine Spannungsquelle mit begrenzter Kapazität aufweist und die durch ein Aktivierungselement aktiviert wird. Als Beispiel sei die eingangs beschriebene Ansteuerung eines Batteriepacks für einen elektrischen Antrieb genannt, ebenso möglich ist der Einsatz in einer batteriebetriebenen Fernbedienung.
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Gemäß der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die insbesondere zur Ansteuerung der Spannungsquelle bei der eine Tiefentladung verhindert werden soll, dient. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Eingang, der mit der Spannungsquelle verbindbar ist, und einen Ausgang, der mit einem Schaltelement verbindbar ist. Mittels eines Aktivierungselements wird eine Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang angelegt, und ein Strom fließt vom Eingang zum Ausgang. Das Schaltelement ist eingerichtet zu schalten, sobald ein derartiger Stromfluss zwischen Eingang und Ausgang vorliegt. Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem ein Begrenzungselement, wobei das Begrenzungselement eingerichtet ist, den Stromfluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang zu begrenzen.
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Erfindungsgemäß ist das Begrenzungselement eingerichtet, den Stromfluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang abhängig von einer zwischen dem Eingang und dem Ausgang anliegenden Spannung zu unterbrechen. Wenn aufgrund einer Störung des Aktivierungselements dauerhaft Strom vom Eingang zum Ausgang der Schaltungsanordnung fließt und dadurch die Spannungsquelle entladen wird, ändert sich die an dem Begrenzungselement anliegende Spannung. Abhängig von der aktuellen an dem Begrenzungselement anliegenden Spannung wird der Stromfluss durch das Begrenzungselement unterbrochen und eine weitere Entladung damit verhindert. Damit kann beispielsweise ein Absinken der Spannung unter einen vorgegebenen Schwellwert, ein Spannungseinbruch oder ein charakteristischer zeitlicher Verlauf der Spannung erkannt werden. Unter einem Unterbrechen des Stromflusses soll hierbei verstanden werden, dass kein oder nur ein sehr kleiner Strom von typischerweise weniger als 35 μA in der Schaltungsanordnung fließt.
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Bevorzugt ist das Begrenzungselement eingerichtet, den Stromfluss abhängig von an dem Begrenzungselement Spannung zu unterbrechen. Mit anderen Worten ist das Begrenzungselement also bevorzugt so in die Schaltungsanordnung integriert, dass die an dem Begrenzungselement anliegende Spannung direkt von der zwischen den Eingang und dem Ausgang anliegenden Spannung abhängt. Dies wird beispielsweise durch eine Reihenschaltung des Begrenzungselements mit einem oder mehreren Widerständen zwischen Eingang und Ausgang erreicht. Der Ausgang ist dabei bevorzugt mit Massepotential verbunden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Begrenzungselement eingerichtet, die an dem Begrenzungselement anliegende Spannung mit einem vorgegebenen Spannungsschwellwert zu vergleichen und bei Unterschreiten des Spannungsschwellwerts den Stromfluss zu unterbrechen. Dazu umfasst das Begrenzungselement bevorzugt eine Z-Diode, wobei die Sperrspannung der Z-Diode, den Spannungsschwellwert bestimmt. Unterschreitet die an der Z-Diode anliegende Spannung die Sperrspannung der Z-Diode, wird der Stromfluss zwischen Eingang und Ausgang der Schaltungsanordnung unterbrochen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das Begrenzungselement einen Kondensator zur Unterbrechung des Stromflusses.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das Begrenzungselement eine Komparator-Schaltung. Mit einer Komparatorschaltung wird die an dem Begrenzungselement anliegende Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Vorteil bei dieser Ausführung ist, dass der Schwellwert entweder vom Benutzer manuell eingestellt oder für verschiedene Applikationen programmiert werden kann oder automatisch von dem Begrenzungselement in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen so gewählt werden kann, dass eine Unterbrechung des Stromflusses zuverlässig und unter optimierten Bedingungen stattfinden kann. Für die automatische Wahl des Schwellwerts kann beispielsweise ein Kennfeld oder eine Look-up Tabelle in einer Speichereinheit vorliegen und von dem Begrenzungselement abgerufen werden. Um die Umgebungsbedingungen festzustellen können zusätzliche Sensorelemente vorhanden sein, oder gegebenenfalls Informationen von der Ansteuervorrichtung der Spannungsquelle abgerufen werden.
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Das Aktivierungselement der Schaltungsanordnung ist bevorzugt ein Schalter, der manuell ausgelöst werden kann, also als Taster ausgebildet ist. Alternativ kann der Schalter beispielsweise durch ein zusätzliches Sensorelement, ausgelöst werden, oder durch ein Funksignal. Solange der Schalter geschlossen ist, fließt Strom vom Eingang zum Ausgang der Schaltungsanordnung, es sei denn der Stromfluss wird durch das Begrenzungselement anhängig von der anliegenden Spannung erfindungsgemäß unterbrochen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung mit einer Schaltungsanordnung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist. Der Eingang der Schaltungsanordnung ist mit einer, insbesondere als Batteriepack ausgebildeten, Spannungsquelle verbunden. Der Ausgang der Schaltungsanordnung ist mit einem Schaltelement verbunden ist, welches eingerichtet ist, bei einer zwischen dem Eingang und dem Ausgang anliegenden Spannung eine Ansteuerungsvorrichtung, insbesondere einen Mikrocontroller, zu aktivieren. Der Mikrocontroller ist bevorzugt eingerichtet, die Spannungsquelle zu überwachen.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass die Schaltungsanordnung Teil einer Wake-up Schaltung zur Aktivierung des Mikrocontrollers ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen und/oder elektronischen Komponente, insbesondere einer Spannungsquelle. Dabei wird durch Betätigung eines Aktivierungselements eine Spannung zwischen einem Eingang und einem Ausgang einer Schaltungsanordnung, angelegt, wodurch eine Ansteuerungsvorrichtung für die Komponente aktiviert wird. Die Schaltungsanordnung ist dabei bevorzugt ausgebildet wie oben beschrieben. Erfindungsgemäß wird mittels eines Begrenzungselements der Stromfluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Schaltungsanordnung abhängig von einer in der Schaltungsanordnung vorliegenden Größe, welche die eine zwischen dem Eingang und dem Ausgang anliegende Spannung repräsentiert, unterbrochen.
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Bei dem erfindungsgemäße Verfahren ist die Schaltungsanordnung bevorzugt als Teil einer Wake-up Schaltung für die Ansteuerungsvorrichtung ausgebildet. Unter Wake-up Schaltung wird eine Schaltung verstanden, die auf verschiedene Wake-up Signale reagieren kann und die Elektronik aus einem Schlafzustand mit sehr geringer Stromaufnahme in einen Betriebszustand versetzt. Zusätzlich oder alternativ wird durch die Wake-up Schaltung bevorzugt die Ansteuerungsvorrichtung aktiviert. Zusätzlich oder alternativ wird bevorzugt durch die Ansteuerungsvorrichtung eine als Life-Hold-Schaltung ausgebildete Steuerschaltung aktiviert. Unter einer Life-Hold Schaltung wird eine Schaltung verstanden, die die Spannungsversorgung der Ansteuerungsvorrichtung aufrecht erhält, unabhängig von der Wake-up Schaltung. Zusätzlich oder alternativ steuert und/oder überwacht die Ansteuerungsvorrichtung die Spannungsquelle für die Wake-up Schaltung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann demnach in vorteilhafter Weise bei der Ansteuerung eines Batterie-Packs mit einem Mikrocontroller als Ansteuerungsvorrichtung verwendet werden.
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Die Begrenzung des Stromflusses wird in einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt, indem, wenn eine in der Schaltungsanordnung vorliegende, eine Spannung repräsentierende Größe, einen vorbestimmten Spannungsschwellwert unterschreitet, eine Unterbrechung des Stromflusses in der Schaltungsanordnung durchgeführt wird. Somit wird ein Einbrechen der von der Spannungsquelle bereitgestellten Spannung erkannt. Ein derartiges Einbrechen kann auf eine Tiefentladung der Spannungsquelle hindeuten. Durch die Unterbrechung des Stromflusses wird eine weitere Entladung verhindert.
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Bevorzugt bleibt nach Unterbrechung des Stromflusses in der Wake-up Schaltung, die Life-Hold-Schaltung aktiv, so dass die Ansteuerungsvorrichtung kontrolliert abgeschaltet werden kann. Nach dem Abschalten ist ein erneutes Aktivieren der Ansteuerungsvorrichtung durch die Wake-up Schaltung erst wieder möglich, wenn die Bedingungen, die zum Unterbrechen des Stromflusses durch das Begrenzungselement geführt haben, nicht mehr vorliegen und die Spannung die an dem Begrenzungselement anliegt also zum Beispiel wieder oberhalb des Schwellwerts liegt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen und den Unteransprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine Schaltung zur Ansteuerung einer Spannungsquelle, die eine Schaltungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst.
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2 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungen der Erfindung
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In 1 ist einen schematischen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 dargestellt, die als Teil einer Schaltung zur Ansteuerung einer Spannungsquelle 11 ausgebildet. Die Spannungsquelle 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Batteriepack ausgebildet, wie er zum Beispiel in elektrisch betriebenen Fahrzeugen eingesetzt wird. Es kann sich jedoch auch um eine andere Ausbildung einer Spannungsquelle mit begrenzter Kapazität, wie beispielsweise jeder handelsübliche Akkumulator handeln.
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Es ist eine Ansteuerungsvorrichtung 22 vorgesehen, die einen Mikrocontroller 24 umfasst. Der Mikrocontroller 24 ist dazu ausgebildet, die Spannungsquelle 11 zu Überwachen und/oder anzusteuern, indem er beispielsweise den Ladezustand der Spannungsquelle ausliest und/oder Wartungsfunktionen und/oder Schutzfunktionen und/oder Kommunikation mit anderen Komponenten der Schaltung übernimmt, wie beispielsweise einem Schalter 26 und/oder einem Eingang 40 eines Spannungsreglers (nur schematisch dargestellt). Der Mikrocontroller 24 wird über die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung 1 aktiviert. Dazu weist die Schaltungsvorrichtung einen Eingang 10 auf, der mit der Spannungsquelle 11 verbunden ist. Die Schaltungsvorrichtung 1 weist einen Ausgang 20 auf. In Reihe zwischen Eingang 10 und Ausgang 20 sind ein Taster 12, ein Widerstand 14 und ein Begrenzungselement 16 geschalten. Über einen weiteren Widerstand ist die Schaltungsanordnung 1 mit Massepotential verbunden.
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Beim Einschaltvorgang wird durch Drücken des Tasters 12 der Stromkreis geschlossen und zwischen Eingang 10 und Ausgang 20 liegt eine Spannung an. Der Ausgang 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Schaltelement 18 verbunden, das als NPN-Transistor 19 ausgebildet ist. Liegt eine Spannung zwischen dem Eingang 10 und dem Ausgang 20 an, so schaltet der Transistor 19 und aktiviert damit die Spannungsversorgung für den Mikrocontroller 24. Zusammen bilden die Schaltungsanordnung 1 und das Schaltelement 18 somit eine Wake-up Schaltung 1' für den Mikrocontroller 24.
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Sobald der Mikrocontroller 24 nach einem üblicherweise etwa 100 ms dauernden Startvorgang (Power-up) betriebsbereit ist, aktiviert er eine Life-Hold Schaltung 2, welche parallel zur Wake-Up Schaltung geschaltet ist. Die Zeitdauer, die der Taster 12 gedrückt bleibt muss also mindestens der Zeitdauer entsprechen, die der Mikrocontroller 24 für den Startvorgang benötigt. Anschließend übernimmt der Mikrocontroller 24 die Kontrolle über seine Spannungsversorgung durch die Life-Hold Schaltung 2. Dies bedeutet, dass auch nach dem Loslassen des Tasters 12, die Spannungsversorgung des Mikrocontrollers 24 aufrecht erhalten wird.
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Beim Herunterfahren schaltet der Mikrocontroller 24 in einer sogenannten Power-Down-Loop die Spannungsversorgung über die Life-Hold Schaltung 2 ab und wartet darauf, dass die Spannung unter die Betriebsgrenze absinkt. Im abgeschalteten Zustand beträgt die Gesamtstromaufnahme der Schaltung in diesem Ausführungsbeispiel nur wenige μA, beispielsweise weniger als 35 μA.
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Um zu gewährleisten, dass auch bei Fehlfunktionen in der Wake-up Schaltung 1, die beispielsweise durch ein mechanisches Klemmen oder dauerhaftes Gedrückthalten des Tasters 12 verursacht sein können, weist die Schaltungsanordnung 1 ein Begrenzungselement 16 auf, das in diesem Beispiel als Z-Diode 17 ausgebildet ist. Das Begrenzungselement 16 ist ausgebildet, um den Stromfluss zwischen Eingang 10 und Ausgang 20 abhängig von einer an dem Begrenzungselement anliegenden Spannung zu unterbrechen. Sinkt die an der Z-Diode 17 anliegende Spannung unter die Sperrspannung der Z-Diode 17, so sperrt die Z-Diode 17 den weiteren Stromfluss durch die Schaltungsanordnung 1 bis auf wenige μA (< 35 μA). Damit wird verhindert, dass die Spannungsquelle 11 unkontrolliert entladen wird und dadurch Schaden nimmt.
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Die Sperrspannung der Z-Diode 17 sowie die Widerstände 14 und 15 müssen passend zu der von der Spannungsquelle gelieferten Spannung gewählt werden, um den Schwellwert der Spannung geeignet einzustellen. Alternativ ist es möglich als Begrenzungselement 16 andere Schaltungselemente zu wählen, die beispielsweise einen Kondensator und/oder eine Komparator-Schaltung umfassen. Das Begrenzungselement 16 kann so ausgebildet sein, dass sich der Spannungsschwellwert, ab dem der Stromfluss in der Schaltungsanordnung 1 unterbrochen wird, vom Benutzer individuell eingestellt werden kann, oder von einem Kontrollelement, beispielsweise dem Mikrokontroller 24, abhängig von Umgebungsvariablen und/oder der Beschaffenheit der verwendeten Spannungsquelle gewählt wird. Dabei können Schwellwerte beispielsweise in Form eines Kennfeldes oder einer Look-up Tabelle gespeichert vorliegen.
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Die hier gezeigte schematische Schaltung zeigt exemplarisch NPN-Transistoren 19 und 26. Die Realisierung einer erfindungsgemäßen Schaltung mit PNP-Transistoren ist ebenso möglich, je nachdem ob eine positive oder eine negative Logik zur Ansteuerung des Enable-Eingangs 40 des verwendeten Spannungsreglers nötig ist.
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In einer alternativen Ausführung der Erfindung umfasst die Ansteuerungsvorrichtung 22 keinen Mikrocontroller zur Steuerung der Spannungsquelle 11, sondern steuert direkt einen Sender, beispielsweise einen Infrarotsender, und/oder eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED oder OLED an. Die in 1 dargestellte Schaltung kann in dieser oder in einer für den Fachmann leicht ersichtlichen, abgewandelten Ausführung in anderen Anwendungen, beispielsweise einer Fernbedienung, zum Einsatz kommen.
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2 zeigt schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zur Ansteuerung einer Spannungsquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im ersten Schritt 100 wird durch Drücken des Tasters 12 eine Spannung zwischen einem Eingang 10 und einem Ausgang 20 einer Schaltungsanordnung 1, wie in 1 dargestellt, angelegt.
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Im zweiten Schritt 200 erfolgt mittels eines Schaltelements 18, das mit dem Ausgang 20 der Schaltungsanordnung 1 aus 1 verbunden ist, die Aktivierung einer Ansteuerungsvorrichtung 22 für die Spannungsquelle 11. Die Ansteuerungsvorrichtung 22 umfasst dabei einen Mikrokontroller 24. Der Mikrocontroller 24 wird mit Spannung versorgt und startet. Anschließend übernimmt der Mikrocontroller 24 die Kontrolle über seine Spannungsversorgung durch die Life-Hold Schaltung 2.
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Im dritten Schritt 300 wird mittels eines Begrenzungselements 16, 17 der Stromfluss zwischen dem Eingang 10 und dem Ausgang 20 der Schaltungsanordnung 1 unterbrochen, da die Spannung die an dem Begrenzungselement 16, 17 anliegt, einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Der Mikrocontroller 24 bleibt weiterhin aktiv, da seine Spannungsversorgung durch die Life-Hold Schaltung 2 aufrechterhalten wird.
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Im vierten Schritt 400 schaltet der Mikrocontroller 24 seine Spannungsversorgung über die Life-Hold Schaltung 2 kontrolliert ab. Ein erneutes Aktivieren des Mikrocontrollers 24 ist nicht möglich, solange die Spannung, die bei gedrücktem Taster 12 eine Spannung an dem Begrenzungselement 16 anliegt, die unterhalb des Spannungsschwellwerts liegt. Durch Wiederaufladen der Spannungsversorgung 11 kann der Anfangszustand wiederhergestellt werden.
