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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für ein elektrisches Gebläse, das einen Gleichstrommotor mit Bürsten aufweist, und insbesondere für ein elektrisches Gebläse zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Genauer betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung folgender Art, umfassend: einen MOSFET-Transistor, der im Wesentlichen in Serie mit dem Motor zwischen zwei Anschlüssen einer ersten Gleichspannungsquelle geschaltet ist und dessen Source-Anschluss mit dem Motor verbunden ist; eine Transistortreiberstufe, die einen Eingang zum Empfang eines pulsweitenmodulierten (PWM) Steuersignals aufweist und einen Ausgang, der mit dem Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors verbunden ist und die einen Bootstrap-Kondensator aufweist, der zwischen einer zweiten Gleichspannungsquelle und dem Source-Anschluss des MOSFET-Transistors angeschlossen ist.
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In Steuerschaltungen dieser Art, bei denen der MOSFET-Transistor in einer sogenannten „high side”-Anordnung ist, nämlich einer, bei der der Drain-Anschluss mit der Anode der ersten Gleichspannungsquelle und der Source-Anschluss mit dem Motor verbunden ist, stellt die Verwendung eines Bootstrap-Kondensators die Bedingungen zur Herstellung der Leitung des MOSFET-Transistors, wenn benötigt, durch Halten der Spannung zwischen dem Gate- und Source-Anschluss dieses Transistors auf einem Wert von etwa 10 Volt, auch dann sicher, wenn das Potential des Source-Anschlusses steigt.
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In dem Fall eines elektrischen Gebläses für Kraftfahrzeuge, und insbesondere im Fall eines elektrischen Gebläses für den sogenannten „Kühler”, entsteht das Problem, dass, wenn dessen Flügelrad nicht vom zugehörigen Elektromotor sondern von dem „Wind” während der Vorwärtsbewegung des Kraftfahrzeuges (sog. „Windmühleneffekt”) gedreht wird, der Elektromotor als ein Generator fungiert und an seinen Anschlüssen eine Spannung produziert, welche die Wiederaufladung des Bootstrap-Kondensators verhindert und so diesen Kondensator an der Durchführung seiner wie oben beschriebenen bekannten Funktion behindert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Daher gibt es einen Wunsch nach einer Steuerschaltung für ein elektrisches Gebläse für ein Kraftfahrzeug, die diesen Nachteil überwindet.
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Dies wird bei der vorliegenden Erfindung durch Verwendung eines gesteuerten elektronischen Schalters, der eine parallel angeschlossene Diode zur Leitung des Stromes von dem Bootstrap-Kondensator zu dem Motor aufweist, zwischen dem Bootstrap-Kondensator und dem Source-Anschluss des MOSFET-Transistors erreicht, wobei der gesteuerte elektronische Schalter einen Steuereingang oder ein Gate aufweist, der/das mit dem Ausgang der Transistortreiberstufe verbunden ist.
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Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Steuerschaltung für ein elektrisches Gebläse, das einen Gleichstrommotor mit Bürsten zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug aufweist, umfassend: einen ersten MOSFET-Transistor, der einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss aufweist, der im Wesentlichen in Reihe mit dem Motor zwischen den beiden Anschlüssen einer ersten Gleichspannungsquelle geschaltet ist und dessen Source-Anschluss mit dem Motor verbunden ist; eine Transistortreiberstufe, die einen Eingang zum Empfang eines pulsweitenmodulierten Steuersignals und einen Ausgang aufweist, der mit dem Gate-Anschluss des ersten MOSFET-Transistors verbunden ist; einen Bootstrap-Kondensator, der zwischen einer zweiten Gleichspannungsquelle und dem Source-Anschluss des ersten MOSFET-Transistors geschaltet ist; und einen gesteuerten elektronischen Schalter, der zwischen dem Bootstrap-Kondensator und dem Source-Anschluss des ersten MOSFET-Transistors geschaltet ist, wobei der gesteuerte elektronische Schalter eine parallel angeschlossene Diode zur Leitung von Strom von dem Bootstrap-Kondensator zu dem Motor aufweist und einen Kontrolleingang oder ein Gate aufweist, der/das mit dem Ausgang der Transistortreiberstufe verbunden ist.
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Vorzugsweise ist der gesteuerte elektronische Schalter ein zweiter MOSFET-Transistor der einen Drain-Anschluss aufweist, welcher mit dem Source-Anschluss des ersten MOSFET-Transistors verbunden ist und der einen Source-Anschluss aufweist, der mit dem Bootstrap-Kondensator verbunden ist, wobei die besagte Diode eine interne Diode des zweiten MOSFET-Transistors ist.
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Vorzugsweise sind zwischen dem Gate- und Source-Anschluss des ersten MOSFET-Transistors zwei Zener-Dioden in Gegenschaltung angeschlossen.
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Vorzugsweise hat eine Zener-Schutzdiode jeweils eine Kathode und eine Anode mit dem Gate- und dem Source-Anschluss des zweiten MOSFET-Transistors verbunden.
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Vorzugsweise ist die Anordnung so, dass ein Strompfad zum Laden des Bootstrap-Kondenstators definiert wird, der von dem Motor über den gesteuerten elektronischen Schalter entkoppelt ist.
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Vorzugsweise umfasst die Transistortreiberstufe einen ersten bis vierten Transistor, von denen jeder eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter aufweisen; wobei die Basis des ersten Transistors mit dem Eingangsanschluss, der Emitter mit Masse und der Kollektor mit der zweiten Gleichspannungsquelle und der Basis des zweiten Transistors verbunden ist; wobei der Emitter des zweiten Transistors mit Masse, der Kollektor mit der zweiten Gleichspannungsquelle und mit den Basisanschlüssen des dritten und vierten Transistors verbunden ist; wobei der Typ des dritten und vierten Transistors gegensätzlich zueinander sind und ihre Kollektoren jeweils mit den Enden des Bootstrap-Kondensators und ihre Emitter mit dem Ausgangsanschluss verbunden sind; wobei der Kollektor des dritten Transistors mit seiner Basis über eine Diode verbunden ist; wobei der Kollektor des vierten Transistors mit der zweiten Gleichspannungsquelle verbunden ist.
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Vorzugsweise ist eine erste Diode zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und der zweiten Gleichspannungsquelle geschaltet, und die Anode der ersten Diode ist mit der zweiten Gleichspannungsquelle verbunden.
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Vorzugsweise ist eine zweite Diode zwischen den Kollektor des zweiten Transistors und die zweite Gleichspannungsquelle geschaltet, und die Anode der zweiten Diode ist mit der zweiten Gleichspannungsquelle verbunden.
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Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von dritten Dioden parallel zwischen beiden Anschlüssen des Motors geschaltet, und deren Kathoden sind mit dem positiven Eingangsanschluss des Motors verbunden.
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Vorzugsweise sind die erste Spannungsquelle und die zweite Spannungsquelle dieselbe Spannungsquelle.
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Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Steuerschaltung zum Steuern eines Gebläses, das einen Gleichstrommotor aufweist, wobei der Motor einen Pluspol und einen auf Masse liegenden Minuspol aufweist, wobei die Steuerschaltung umfasst: einen Bootstrap-Kondensator, dessen einer Anschluss mit dem Pluspol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist; einen IGBT-/MOSFET-Transistor, dessen Kollektor-/Drainanschluss mit dem Pluspol der Energiequelle verbunden ist und dessen Emitter-/Sourceanschluss mit dem Pluspol des Motors verbunden ist; einen elektronischen Schalter, der zwei Verbindungsanschlüsse aufweist und einen Steueranschluss, der dazu ausgelegt ist, die Verbindungsanschlüsse so zu steuern, dass sich diese an- und abschalten, wobei die beiden Verbindungsanschlüsse mit dem anderen Anschluss des Bootstrap-Kondensators und dem Pluspol des Motors verbunden sind; eine Transistortreiberschaltung, die einen Eingangsanschluss zum Empfang eines Steuersignals aufweist und einen Ausgangsanschluss, der mit einem Basis-/Gateanschluss des Transistors und des Steueranschlusses des elektronischen Schalters verbunden ist, wobei der Transistor und der elektronische Schalter zur selben Zeit unter dem Einfluss des Steuersignals an- und abgeschaltet werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Steuerschaltung für ein Gebläse, wobei das Gebläse einen Motor und ein Flügelrad aufweist, das mit der Motorwelle verbunden ist, wobei die Steuerschaltung einen Kondensator, eine Treiberschaltung, einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist; wobei die Treiberschaltung dazu ausgelegt ist, abwechselnd An- und Ausschaltsignale zum An- und Ausschalten des ersten Schalters auszugeben, wobei der erste Schalter dazu ausgelegt ist, angeschaltet zu werden, wenn eine Spannung höher als ein voreingestellter Wert anliegt und wenn er das Anschaltsignal empfängt, wobei der Motor in Serie mit dem ersten Schalter geschaltet ist und der Motor als ein Antriebsmotor für das Gebläse fungiert, wenn der erste Schalter angeschaltet wird und in der Lage ist, als Generator zur Erzeugung einer rückwärtsgerichteten elektromotorischen Kraft zu fungieren, wenn der erste Schalter abgeschaltet ist, wobei der Kondensator dazu ausgelegt ist, von einer Energiequelle geladen zu werden, wenn der erste Schalter abgeschaltet ist und dazu ausgelegt ist, sich durch den ersten Schalter zu entladen, wenn der erste Schalter angeschaltet ist, wobei der zweite Schalter dazu ausgelegt ist, den Kondensator mit dem ersten Schalter zum Aufladen auf eine Spannung höher als ein voreingestellter Wert zu verbinden, wenn die Treiberschaltung das Anschaltsignal ausgibt und dazu ausgelegt ist, den Kondensator von dem Motor zu trennen, wenn der erste Schalter ausgeschaltet ist, um die rückwärtsgerichtete elektromotorische Kraft zu vermeiden, die die Spannung über dem Kondensator verringert.
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Vorzugsweise wird der zweite Schalter von den An- und Ausschaltsignalen der Treiberschaltung gesteuert.
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Vorzugsweise sind der erste und der zweite Schalter beides MOSFET-Transistoren, wobei Drain und Source des ersten Schalters jeweils mit einem Pluspol einer Gleichspannungsquelle und dem Motor verbunden sind, wobei die Drainanschlüsse beider Schalter mit dem Ausgang der Treiberschaltung verbunden sind und wobei der Kondensator mit dem Sourceanschluss des ersten Schalters über Source- und Drainanschluss des zweiten Schalters verbunden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft mit Bezug auf die Figuren und beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Figuren werden identische Vorrichtungen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur auftauchen, in allen Figuren, in denen sie auftauchen, mit demselben Bezugszeichen bezeichnet. Abmessungen von Elementen und besondere Merkmale, die in den Figuren gezeigt sind, wurden im Allgemeinen wegen der Einfachheit und Klarheit der Darstellung gewählt und sind nicht zwingend maßstäblich gezeigt. Die Figuren sind unten aufgelistet.
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1 ist ein Schaltplan einer Steuerschaltung entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt den Ladeweg des Bootstrap-Kondensators; und
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2 ist ein Schaltplan nach 1 und zeigt den Entladeweg des Bootstrap-Kondensators.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In den Figuren bezeichnet 1 eine Steuerschaltung für ein elektrisches Gebläse 2, das einen Gleichstrommotor mit Bürsten 3 zum Antrieb eines zugehörigen Flügelrades 4 aufweist.
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Die Steuerschaltung 1 umfasst einen ersten MOSFET-Transistor Q1, der im Wesentlichen in Serie mit dem Motor 3 zwischen dem Pluspol und dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle VB1 geschaltet ist.
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Die Steuerschaltung 1 ist insbesondere vom sogenannten ”high-side”-Typ. Der MOSFET-Transistor Q1 weist einen Drainanschluss auf, der mit dem Pluspol der Spannungsquelle VB1 verbunden ist und dessen Sourceanschluss mit der positiven Bürste des Motors 3 verbunden ist.
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Die Schaltung 1 weist weiter eine Transistortreiberstufe auf, die insgesamt mit 5 bezeichnet ist. Diese Treiberstufe weist einen Eingang I auf, der dazu gedacht ist, ein Steuersignal mit Pulsweiten- oder Pulsdauermodulation (PWM) aufzunehmen. Der Ausgang O dieser Treiberschaltung 5 ist mit dem Gateanschluss des Transistors Q1 über einen Widerstand R4 verbunden.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Treiberstufe 5 vier Bipolartransistoren auf, die mit Q3–Q6 bezeichnet sind.
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Der Transistor Q6 ist ein npn-Transistor, dessen Basis mit dem Eingang I über einen Widerstand R9, dessen Emitter mit einem Erdleiter und dessen Kollektor mit der Kathode einer Diode D7 über einen Widerstand R5 verbunden sind. Die Anode der Diode D7 ist mit dem Pluspol einer Spannungsquelle VB2 verbunden, wie etwa der Batterie des Kraftfahrzeugs.
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Die beiden Kondensatoren C2 und C3 sind jeweils zwischen der Anode und der Kathode der Diode D7 und einem Erdleiter angeschlossen.
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Der Transistor Q5 ist ebenfalls ein npn-Transistor, dessen Basis über einen Widerstand R8 mit dem Kollektor von Q6, dessen Emitter mit Erde und dessen Kollektor über einen Widerstand R3 mit den Basen der Transistoren Q3 und Q4 verbunden sind. Der Kollektor von Q5 ist ebenso über einen Widerstand R1 mit der Kathode einer Diode D6 verbunden. Die Anode dieser Diode D6 ist mit der Anode der Diode D7 verbunden.
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Der Transistor Q3 ist ebenfalls ein npn-Transistor, dessen Kollektor mit der Kathode der Diode D6 und dessen Emitter mit dem des Transistors Q4 verbunden ist, der stattdessen ein pnp-Transistor ist. Eine Diode D5 ist zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors Q4 geschaltet.
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Der Ausgang O der Treiberstufe 5 entspricht den Emittern der Transistoren Q3 und Q4.
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Auch weist die Steuerschaltung 1 einen Bootstrap-Kondensator auf, der mit C1 bezeichnet ist. Dieser Kondensator ist zwischen die Kollektoren der Transistoren Q3 und Q4 geschaltet und einer seiner Anschlüsse ist daher mit der Spannungsquelle VB2 über die Diode D6 verbunden.
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Der andere Anschluss des Bootstrap-Kondensators C1 ist über den zweiten MOSFET-Transistor Q2 mit dem Sourceanschluss des MOSFET-Transistors Q1 verbunden.
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Insbesondere ist der Sourceanschluss des MOSFET-Transistors Q2 mit dem Bootstrap-Kondensator C1 verbunden und dessen Drainanschluss ist mit dem Sourceanschluss des MOSFET-Transistors Q1 und auch mit dem Pluspol oder der positiven Bürste des Motors 3 verbunden.
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Der Gateanschluss von Q2 ist mit dem Ausgang O der Treiberstufe 5 über einen Widerstand R6 verbunden. Die Anode und Kathode einer Zener-Schutzdiode D4 sind jeweils mit dem Source- und dem Gateanschluss von Q2 verbunden.
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Zwei Zener-Dioden D2 und D3, die antiseriell verbunden sind, sind zwischen dem Gate- und dem Sourceanschluss des MOSFET-Transistors Q1 geschaltet, und ein Widerstand R7 ist parallel mit den beiden Zener-Dioden D2 und D3 geschaltet.
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Ein Nebenwiderstand R10 ist zwischen dem Minuspol oder der negativen Bürste des Motors 3 und dem zugehörigen Erdleiter geschaltet. Eine Gruppe von parallel geschalteten Dioden D1 ist zwischen diesem Erdleiter und der positiven Bürste des Motors 3 geschaltet.
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Ein Kondensator C4 und ein Widerstand R2 sind zwischen dem Pluspol oder der positiven Bürste des Motors 3 und dem Pluspol der Spannungsquelle VB1 in Serie geschaltet.
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Die oben beschriebene Steuerschaltung 1 funktioniert im Wesentlichen derart wie unten beschrieben.
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Wenn ein stabiles Signal mit dem Pegel ”0” an dem Eingang I der Treiberstufe 5 anliegt, ist der Transistor Q6 abgeschaltet, der Transistor Q5 leitend und die Transistoren Q3 und Q4 sind abgeschaltet. Folglich ist der Ausgang O der Treiberstufe 5 ebenso auf dem Pegel ”0” und der MOSFET-Transistor Q1 ist abgeschaltet. Der Elektromotor 3 des elektrischen Gebläses 2 ist daher deaktiviert.
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Unter diesen Bedingungen wird keine Spannung an den Anschlüssen des Motors 3 erzeugt, wenn das Flügelrad 4 des elektrischen Gebläses 2 stillsteht oder im Wesentlichen unbewegt ist. Der Bootstrap-Kondensator C1 wird und bleibt wegen des Stromflusses entlang des von den gebrochenen Linien in 1 gezeigten Pfades von der Spannungsquelle VB2 über die Diode D6, den Kondensator C1, die Diode D5, den Widerstand R3, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q5 und den zugehörigen Erdleiter geladen. Dieser Pfad ist von dem Strompfad zur Last über das Bauteil Q2 entkoppelt. Das Laden des Bootstrap-Kondensators C1 erfolgt unabhängig von der Spannung an den Anschlüssen des Motors 3. Der Bootstrap-Kondensator C1 ist daher andauernd bereit einzugreifen, um seine gedachte Funktion zu erfüllen und ein nachfolgendes Schalten des MOSFET-Transistors Q1 sicherzustellen.
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Wenn andererseits unter den vorgenannten Bedingungen das Flügelrad von dem ”Wind” gedreht wird, der von einer Vorwärtsbewegung des Kraftfahrzeugs herrührt, fungiert der Motor 3 dann als Generator und erzeugt an seinen Anschlüssen eine Spannung, die in 1 mit VMOT bezeichnet wird. Der Bootstrap-Kondensator C1 wird daher tendenziell wie oben beschrieben geladen, aber die Spannung VMOT, die von dem als Generator fungierenden Motor 3 erzeugt wird, würde die Spannung an seinen Anschlüssen tendenziell reduzieren.
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Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung 1 schaltet sich unter dieser Bedingung die parasitäre oder interne Diode des MOSFET-Transistors Q2 ein und entkoppelt daher die Spannung VMOT von dem Bootstrap-Kondensator C1, der weiter so geladen wird, als ob es keinen von der Vorwärtsbewegung des Kraftfahrzeugs erzeugten Wind gäbe.
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Das Anlegen eines Pulsweiten-Modulationssignals (PWM) an dem Eingang I der Treiberstufe 5 erzeugt an dem Ausgang O dieser Stufe 5 ein entsprechendes Signal mit zwei Zuständen, die abwechselnd die Leitung und Abschaltung der MOSFET-Transistoren Q1 und Q2 ermöglichen. Wenn der Ausgang O der Treiberstufe 5 auf dem Pegel ”1” ist, sind insbesondere die Transistoren Q1 und Q1 beide leitend, und der Bootstrap-Kondensator C1 wird wegen des Stromflusses entlang des von gebrochenen Linien in 2 gezeigten Pfades teilweise entladen.
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Tatsächlich ist der Bootstrap-Kondensator C1 mit dem Elektromotor 3 des elektrischen Gebläses 2 in charakteristischer Anordnung nach dem Stand der Technik verbunden und erfüllt seine designierte Aufgabe auf die übliche Art und Weise, wenn das Steuersignal an dem Eingang I der Treiberstufe anliegt.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Auch wenn die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Veränderungen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
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Obwohl beispielsweise die erste und zweite Spannungsquelle VB1 und VB2 als einzelne getrennte Spannungsquellen gezeigt und beschrieben worden sind, können diese jedoch dieselbe sein. Ebenso können die MOSFET-Transistoren durch IGBT-Transistoren ersetzt sein.
