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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren nach dem nebengeordneten Patentanspruch.
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Vom Markt her bekannt sind Einspritzventile für Brennkraftmaschinen, welche mittels eines elektromagnetischen Aktors betätigt werden, wobei der elektromagnetische Aktor zwei Magnetspulen umfasst. Mittels der beiden Magnetspulen kann ein Anker des elektromagnetischen Aktors zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegt werden. Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die
US 5,954,030 .
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Auswerteschaltung nach Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die erfindungsgemäße Auswerteschaltung weist den Vorteil auf, dass ein Anschlagen eines Ankers eines mit mindestens zwei Magnetspulen ausgeführten elektromagnetischen Aktors vergleichsweise zuverlässig und mit einem besonders geringen Aufwand an elektrischen bzw. elektronischen Schaltungselementen ermittelt werden kann. Dieser Aufwand ist zudem wenig abhängig von der Anzahl der elektromagnetischen Aktoren, da Anschlüsse der Magnetspulen mittels analoger Schalter bzw. analoger Multiplexer an nachfolgende Schaltungsteile angeschlossen sind. Dabei ist es im Wesentlichen unerheblich, ob die Anschlüsse jeweils ein definiertes Potenzial in Bezug auf ein Massepotenzial aufweisen oder nicht. Weiterhin können ein Betriebsgeräusch bzw. mechanische Schwingungen des elektromagnetischen Aktors durch das Verfahren vermindert und ein Energieverbrauch gesenkt werden. Die Lebensdauer einer Ansteuerschaltung des elektromagnetischen Aktors kann erhöht werden. Eine für die Auswerteschaltung erforderliche Leiterplattenfläche kann reduziert werden, wobei Systemkosten und ein die Auswerteschaltung bzw. die Auswertung der Ankerbewegung betreffender Softwareaufwand gesenkt werden können.
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Die Erfindung betrifft eine – beispielsweise mittels elektronischer Bauelemente ausgeführte – Auswerteschaltung für mindestens einen elektromagnetischen Aktor, welcher einen Anker und mindestens eine erste und eine zweite Magnetspule aufweist. Der Anker kann mittels mindestens einer der beiden Magnetspulen zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegt werden. Insbesondere wird in mindestens einem Betriebszustand des elektromagnetischen Aktors dann, wenn jeweils eine der beiden Magnetspulen bestromt wird und die jeweils andere Magnetspule nicht bestromt wird, eine Spannung der jeweils nicht bestromten Magnetspule ermittelt und ausgewertet, um einen Zeitpunkt des Anschlagens des Ankers an einem Anschlag ("Hubanschlag") zu ermitteln.
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Erfindungsgemäß umfasst die Auswerteschaltung mindestens einen Differenzverstärker und eine Mehrzahl von analogen Schaltern, wobei jeweils zwei Schalter ein Paar von elektrischen Signalen, welche Potenziale an zwei Anschlüssen einer jeweiligen Magnetspule charakterisieren, an Eingänge des mindestens einen Differenzverstärkers schalten können. Weiterhin ist erfindungsgemäß mindestens eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal des mindestens einen Differenzverstärkers auszuwerten. Die erfindungsgemäße Auswerteschaltung ermöglicht es, u.a. den Zeitpunkt des Anschlagens des Ankers an dem Anschlag unter Verwendung einer in der jeweils nicht bestromten Magnetspule induzierten Spannung vergleichsweise präzise zu ermitteln. Wegen der Verwendung des Differenzverstärkers wird auch dann eine vergleichsweise präzise Ermittlung des Zeitpunkts ermöglicht, wenn die einzelnen Potenziale an den Anschlüssen der jeweils unbestromten Magnetspule in Bezug auf das Massepotenzial unbekannt oder schlecht reproduzierbar sind und sozusagen "schweben". Darüber hinaus sind diese Potenziale im Allgemeinen auch stark von kapazitiv und/oder induktiv eingekoppelten Schaltimpulsen der jeweils bestromten Magnetspule überlagert. Die besagten Schalter ermöglichen es, zwischen den beiden Magnetspulen eines einzelnen Aktors und/oder zwischen den Magnetspulen mehrerer Aktoren umzuschalten, wodurch die Auswerteschaltung bzw. die Auswerteeinrichtung mit einem besonders geringen Aufwand ausgeführt werden kann.
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Eine Ausgestaltung der Auswerteschaltung sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine zeitliche Änderung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers und/oder eine zeitliche Änderung eines von dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers abgeleiteten Signals zu ermitteln und auszuwerten. An dem oben beschriebenen Anschlag kommt der Anker "schlagartig" zur Ruhe, so dass ein durch die Bewegung des Ankers verändertes Magnetfeld sich nicht mehr verändert. Entsprechend ändert sich gemäß dem Induktionsgesetz eine in der jeweils nicht bestromten Magnetspule induzierte Spannung. Daraus folgend weist das Ausgangssignal des Differenzverstärkers eine zeitliche Änderung auf, welche mittels der Auswerteeinrichtung ausgewertet wird. Vorzugsweise wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers und/oder ein von dem Ausgangssignal abgeleitetes Signal einem Differenzierer zugeführt, wodurch eine zeitliche Ableitung des Ausgangssignals ermittelt wird.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die zeitliche Änderung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers und/oder die zeitliche Änderung des von dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers abgeleiteten Signals mit mindestens einem vorgebbaren Schwellwert zu vergleichen. Dadurch kann der ermittelte Wert der zeitlichen Ableitung vorteilhaft bewertet werden.
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Insbesondere entspricht der besagte Schwellwert einer Vergleichsspannung eines Vergleichers. Die Vergleichsspannung ist dabei derart vorgegeben, dass in Abhängigkeit von dem Anschlagen des Ankers an dem Anschlag ein Ausgangssignal des Vergleichers seinen Zustand ändern kann. Dadurch wird es ermöglicht, den Zeitpunkt des Anschlagens präzise zu ermitteln. Insbesondere kann das Ausgangssignal des Vergleichers ein digitales Signal sein, welches nachfolgend beispielsweise einer digitalen Logik oder einem Prozessor zugeführt wird.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine erste Anzahl der analogen Schalter paarweise nach der Art eines ersten Multiplexers geschaltet ist, wobei die erste Anzahl der Schalter einerseits paarweise den Anschlüssen der ersten Magnetspulen zugeordnet sind und andererseits paarweise einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang eines ersten gemeinsamen Differenzverstärkers zugeordnet sind, und dass eine zweite Anzahl der analogen Schalter paarweise nach der Art eines zweiten Multiplexers geschaltet ist, wobei die zweite Anzahl der Schalter einerseits paarweise den Anschlüssen der zweiten Magnetspulen zugeordnet sind und andererseits paarweise einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang eines zweiten gemeinsamen Differenzverstärkers zugeordnet sind. Dadurch weist die Auswerteschaltung – unabhängig von der Anzahl der elektromagnetischen Aktoren – lediglich zwei im Wesentlichen gleiche "Schaltungszweige" auf, welche jeweils einen Multiplexer, einen Differenzverstärker und eine Auswerteeinrichtung umfassen und jeweils eine Spannung an den ersten Magnetspulen bzw. an den zweiten Magnetspulen auswerten können. Durch die Verwendung der Multiplexer werden Aufwand und somit Kosten gespart.
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Vorzugsweise sind die analogen Schalter der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung als Halbleiterschalter ausgebildet. Dies ermöglicht ein besonders schnelles und präzises Umschalten des jeweiligen Schaltungszweigs auf die jeweilige Magnetspule. Die Halbleiterschalter sind beispielsweise als MOSFET (Metall-Oxid-Semiconductor-Feldeffekttransistoren) ausgeführt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die analogen Schalter unter Verwendung von einem Überspannungsschutz und/oder einem Überstromschutz an die Anschlüsse der Magnetspulen geschaltet sind. Bekanntlich können beim Schalten von Magnetspulen hohe Induktionsspannungen entstehen, welche übliche Halbleiterbauelemente zerstören können. Der Überspannungsschutz ist beispielsweise als Reihenwiderstand und daran angeschlossene Klemmdioden ausgeführt, wobei die Klemmdioden an ein Massepotenzial oder eine Betriebsspannung geschaltet sind. Dadurch wird die Auswerteschaltung robuster.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Auswerteschaltung einen Differenzierer aufweist, welcher die zeitliche Änderung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers und/oder die zeitliche Änderung des von dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers abgeleiteten Signals ermittelt, und dass der Differenzierer unter Verwendung von einem Überspannungsschutz und/oder einem Überstromschutz an den Vergleicher geschaltet ist. Auch an dem – von den Magnetspulen vergleichsweise entfernten – Vergleicher können gegebenenfalls hohe Spannungen auftreten, welche diesen dauerhaft zerstören oder beschädigen können. Der Überspannungsschutz bzw. der Überstromschutz kann dies verhindern.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Ausgang des mindestens einen Differenzverstärkers unter Verwendung von einem Tiefpassfilter oder Bandpassfilter an den Differenzierer geschaltet ist. Mittels des Ankers erfolgt eine an sich unvermeidbare magnetische Kopplung zwischen der jeweils bestromten und der jeweils nicht bestromten Magnetspule. Schaltspannungen der bestromten Magnetspule können daher auch von der nicht bestromten Magnetspule erfasst werden. Das Tiefpassfilter kann diese Schaltspannungen im Wesentlichen ausfiltern und die Zuverlässigkeit der Auswertung somit erhöhen.
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Es versteht sich, dass die erste und die zweite Magnetspule auch als eine einzige Magnetspule ausgeführt sein kann, welche einen entsprechenden Windungsabgriff und somit insgesamt drei Anschlüsse aufweist. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, dass das Ausgangssignal des Differenzierers gegebenenfalls auch unmittelbar dem Vergleicher zugeführt sein kann. Zudem kann die erfindungsgemäße Auswerteschaltung im Detail nach dem Fachmann bekannten Regeln abgeändert oder ergänzt werden. Beispielsweise kann der Differenzierer – vorzugsweise – eine erste zeitliche Ableitung des ihm zugeführten Signals erzeugen. Alternativ ist es jedoch im Rahmen der Erfindung möglich, dass der Differenzierer auch eine zweite zeitliche Ableitung oder vergleichbare Größen erzeugt.
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Die Auswerteschaltung ist besonders nützlich, wenn der elektromagnetische Aktor ein elektromagnetischer Aktor eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine ist. Insbesondere bei vorhandenen vier, sechs oder gar acht Zylindern ist der schaltungstechnische Aufwand dank der Erfindung besonders klein.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben der Auswerteschaltung für mindestens einen elektromagnetischen Aktor, welcher einen Anker und mindestens eine erste und eine zweite Magnetspule aufweist, vorgeschlagen. Die Auswerteschaltung umfasst mindestens einen Differenzverstärker und eine Mehrzahl von analogen Schaltern sowie mindestens eine Auswerteeinrichtung. Verfahrensgemäß werden jeweils ein Paar von elektrischen Signalen, welche Potenziale an zwei Anschlüssen einer jeweiligen Magnetspule charakterisieren, mittels jeweils zwei Schaltern an Eingänge des mindestens einen Differenzverstärkers geschaltet. Dabei wird ein Ausgangssignal des mindestens einen Differenzverstärkers mittels der mindestens einen Auswerteeinrichtung ausgewertet.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass dann, wenn die erste Magnetspule des Aktors bestromt ist und die zweite Magnetspule des Aktors nicht bestromt ist, die Anschlüsse der zweiten Magnetspule mittels des zweiten Multiplexers auf den zweiten Differenzverstärker geschaltet werden und das Ausgangssignal des zugehörigen Vergleichers dazu verwendet wird, um einen durch die erste Magnetspule fließenden Strom zu schalten, zu steuern und/oder zu regeln.
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Dazu entsprechend ist vorgesehen, dass dann, wenn die zweite Magnetspule des Aktors bestromt ist und die erste Magnetspule des Aktors nicht bestromt ist, die Anschlüsse der ersten Magnetspule mittels des ersten Multiplexers auf den ersten Differenzverstärker geschaltet werden und das Ausgangssignal des zugehörigen Vergleichers dazu verwendet wird, um einen durch die zweite Magnetspule fließenden Strom zu schalten, zu steuern und/oder zu regeln. Dadurch kann die Auswerteschaltung auch für solche elektromagnetische Aktoren verwendet werden, bei denen der Anker in beiden Bewegungsrichtungen mittels Magnetkraft bewegt wird, wobei die erfindungsgemäße Auswertung für beide Magnetspulen in gleicher Weise ermöglicht wird.
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Weiterhin sieht das Verfahren vor, dass mindestens einer der folgenden Schritte durchgeführt wird:
- – Ermitteln eines relativen zeitlichen Extremums des Ausgangssignals des Differenzverstärkers oder eines aus dem Ausgangssignal abgeleiteten Signals;
- – Vergleich des Ausgangssignals oder des daraus abgeleiteten Signals mit einem Schwellwert;
- – Ermitteln einer zeitlichen Ableitung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers oder des aus dem Ausgangssignal abgeleiteten Signals und Vergleich mit der Vergleichsspannung; und/oder
- – Schalten, Steuern und/oder Regeln eines durch eine der Magnetspulen fließenden Stroms.
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Dadurch kann beispielsweise der Zeitpunkt des Anschlagens des Ankers ermittelt werden. Somit wird es ermöglicht, die jeweils bestromte Magnetspule frühzeitig stromlos zu schalten, so dass Energie gespart und die Dauerfestigkeit des elektromagnetisches Aktors verbessert wird. Die beiden zuerst genannten Schritte sind ergänzend oder alternativ zueinander verwendbar und können optional die Durchführung des dritten und/oder vierten Schritts zuverlässiger machen.
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Es versteht sich, dass das beschriebene Verfahren sinngemäß auch dann angewendet werden kann, wenn die Auswerteschaltung lediglich einen (statt zwei) für alle Magnetspulen gemeinsamen Differenzverstärker und entsprechend nur eine Auswerteeinrichtung aufweist. In diesem Fall sind auch die Schalter bzw. der ebenfalls nur eine Multiplexer von ihrer Anzahl und ihrer Verschaltung dazu ausgebildet, alle Magnetspulen jeweils alternativ zueinander auf den einen Differenzverstärker zu schalten. Die beschriebene Ausgestaltung mit zwei Multiplexern hat jedoch den Vorteil geringerer elektrischer Störungen, da die Anschlüsse der jeweils bestromten und nicht bestromten Magnetspulen nicht auf Eingänge des jeweils selben Multiplexers geschaltet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird zumindest teilweise unter Verwendung der beschriebenen Auswerteschaltung ausgeführt. Ergänzend wird das von dem Vergleicher erzeugte Ausgangssignal von einem Computerprogramm zur Steuerung der Magnetspulen verwendet. Gegebenenfalls können auch Teile der Auswerteeinrichtung – beispielsweise das Tiefpassfilter und/oder der Vergleicher – mittels des Computerprogramms realisiert sein, wodurch der Aufwand an Bauelementen nochmals vermindert werden kann.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Auswerteschaltung zum Betreiben mindestens eines elektromagnetischen Aktors;
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2 ein erstes Zeitdiagramm, welches ein Spannungssignal einer Magnetspule charakterisiert;
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3 ein Ausschnitt aus dem Zeitdiagramm der 2;
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4 ein zweites Zeitdiagramm mit Spannungssignalen der Auswerteschaltung; und
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5 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben des elektromagnetischen Aktors.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine Auswerteschaltung 10 zum Betreiben von vorliegend vier elektromagnetischen Aktoren 12 von Einspritzventilen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die elektromagnetischen Aktoren 12 sind links in der Zeichnung dargestellt und weisen jeweils eine erste (obere) Magnetspule 14 und eine zweite (untere) Magnetspule 16 auf. Weiterhin weist jeder der elektromagnetischen Aktoren 12 einen Anker 18 auf, welcher mittels der Magnetspulen 14 und 16 bewegt werden kann. Dies ist in der 1 durch einen Doppelpfeil (ohne Bezugszeichen) dargestellt.
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Die Auswerteschaltung 10 umfasst einen in der Zeichnung oberen ersten Schaltungszweig (Indizes "a") und einen in der Zeichnung unteren zweiten Schaltungszweig (Indizes "b"). Ein elektrischer Signalverlauf erfolgt in beiden Schaltungszweigen im Wesentlichen von links nach rechts. Der erste Schaltungszweig ist an die in der Zeichnung jeweils oben dargestellten ersten Magnetspulen 14 der vier elektromagnetischen Aktoren 12 angeschlossen. Der zweite Schaltungszweig ist an die in der Zeichnung jeweils unten dargestellten zweiten Magnetspulen 16 der elektromagnetischen Aktoren 12 angeschlossen. Die beiden Schaltungszweige sind elektrisch gleichartig ausgeführt, so dass nachfolgend im Allgemeinen der erste Schaltungszweig beschrieben wird.
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Der erste Schaltungszweig weist einen ersten Multiplexer 19a auf, welcher einen Multiplexerteil 20a und einen Multiplexerteil 22a umfasst. Vorliegend sind die Multiplexerteile 20a und 22a mittels jeweils vier Schaltern 20.1a bis 20.4a beziehungsweise 20.1a bis 20.4a ausgeführt, indem die in der Zeichnung jeweils rechten Anschlüsse der Schalter 20.1a bis 20.4a bzw. 20.1a bis 20.4a miteinander elektrisch verbunden sind. Die besagten Schalter 20.1a bis 20.4a und 22.1a bis 22.4a sind vorzugsweise als Halbleiterschalter realisiert, welche beispielsweise mittels einer integrierten Schaltung oder mittels MOSFETs (Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistoren) ausgeführt sind.
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Ein in der Zeichnung linker Anschluss der Schalter 20.1a bis 20.4a ist jeweils über einen Überspannungsschutz 24a mit einem in der Zeichnung jeweils oberen Anschluss der ersten Magnetspulen 14 der vier elektromagnetischen Aktoren 12 verbunden. Entsprechend ist ein in der Zeichnung linker Anschluss der vier Schalter 22.1a bis 22.4a jeweils über einen Überspannungsschutz 24a mit einem in der Zeichnung jeweils unteren Anschluss der ersten Magnetspulen 14 verbunden.
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Der Überspannungsschutz 24a umfasst beispielsweise einen in Reihe zu dem Signalverlauf geschalteten ohmschen Widerstand und eine oder zwei an ein festes Potenzial geschaltete Klemmdioden (nicht dargestellt), beispielsweise an eine Betriebsspannung und/oder an ein Massepotenzial 27. Der Überspannungsschutz 24a hat insbesondere die Aufgabe, die an den Magnetspulen 14 beziehungsweise 16 während einer Bestromung anliegenden hohen Spannungen von den Schaltern 20.1a bis 20.4a beziehungsweise 22.1a bis 22.4a fern zu halten. Die Multiplexerteile 20a und 22a ermöglichen es, die gegebenenfalls unbekannten, schlecht reproduzierbaren und somit "schwebenden" Potenziale an den Anschlüssen der Magnetspulen 14 und 16 auf Eingänge eines Differenzverstärkers 26a zu schalten.
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Ein Ausgang des Multiplexerteils 20a ist mit einem nicht invertierenden Eingang ("+") des Differenzverstärkers 26a verbunden. Entsprechend ist ein Ausgang des Multiplexerteils 22a mit einem invertierenden Eingang ("–") des Differenzverstärkers 26a verbunden. Der Differenzverstärker 26a ist an das Massepotenzial 27 angeschlossen und kann spannungsgesteuert oder stromgesteuert ausgeführt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der oben beschriebene Widerstand des Überspannungsschutzes 24a zusammen mit einer "äußeren" (nicht dargestellten) Beschaltung des Differenzverstärkers 26a dazu verwendet werden, um eine Verstärkung des Differenzverstärkers 26a einzustellen.
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Ein Ausgang des Differenzverstärkers 26a ist mit einem Eingang eines Tiefpassfilters 28a verbunden, und ein Ausgang des Tiefpassfilters 28a ist mit einem Eingang eines Differenzierers 30a verbunden. Ein Ausgang des Differenzierers 30a ist über einen Überspannungsschutz 31a mit einem ersten Eingang eines Vergleichers 32a verbunden. Ein zweiter Eingang des Vergleichers 32a ist an eine Vergleichsspannung 34a angeschlossen. Ein Ausgang des Vergleichers 32a ist mit einem Eingang eines für beide Schaltungszweige gemeinsamen digitalen Prozessors 36 verbunden.
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Der Differenzierer 30a, der Vergleicher 32a und der Prozessor 36 sind Teile einer Auswerteeinrichtung 38a, welche dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal 26.1a des Differenzverstärkers 26a auszuwerten. Ergänzend umfasst die Auswerteeinrichtung 38a das Tiefpassfilter 28a und den Überspannungsschutz 31a, wodurch eventuelle Störsignale gedämpft werden und einer Beschädigung des Vergleichers 32a vorgebeugt werden kann. Der Überspannungsschutz 31a umfasst beispielsweise – ähnlich wie der Überspannungsschutz 24a – einen Reihenwiderstand und eine oder zwei an ein festes Potenzial geschaltete Klemmdioden, beispielsweise an die Betriebsspannung und/oder das Massepotenzial 27.
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Im Betrieb der elektromagnetischen Aktoren 12 werden diese mittels einer in der Zeichnung der 1 nicht dargestellten Ansteuerschaltung betätigt. Die elektromagnetischen Aktoren 12 arbeiten im Wesentlichen unabhängig voneinander – und im Allgemeinen nicht gleichzeitig – und werden vorliegend zum Betreiben eines jeweiligen Einspritzventils (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine verwendet. Das Verhalten der elektromagnetischen Aktoren 12 beziehungsweise der Auswerteschaltung 10 wird daher nur für den in der Zeichnung oberen elektromagnetischen Aktor 12 des ersten Schaltungszweigs beschrieben.
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In einem Ausgangszustand des elektromagnetischen Aktors 12 befindet sich der Anker 18 in seiner in der Zeichnung dargestellten oberen Position, welche der ersten Magnetspule 14 zugeordnet ist. Diese Position entspricht beispielsweise dem geschlossenen Einspritzventil. Zunächst sind beide Magnetspulen 14 und 16 nicht bestromt. In einem folgenden Zustand wird die zweite Magnetspule 16 des Aktors 12 bestromt, wobei die erste Magnetspule 14 weiterhin unbestromt ist. Dabei wird der Anker 18 mittels Magnetkraft in der Zeichnung von oben nach unten bewegt. Dadurch kann das Einspritzventil nachfolgend geöffnet werden. Während der Bewegung des Ankers 18 ist der Schalter 20.1a des Multiplexerteils 20a sowie der Schalter 22.1a des Multiplexerteils 22a geschlossen. Die übrigen Schalter 20.2a bis 20.4a und 22.2a bis 22.4a sind geöffnet.
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Die in der 1 nicht dargestellte Ansteuerschaltung für die erste Magnetspule 14 ist dabei im Wesentlichen hochohmig geschaltet. Entsprechend liegen die an den Anschlüssen der ersten Magnetspule 14 anliegenden elektrischen Potenziale mittels der Schalter 20.1a und 22.1a an dem nicht invertierenden beziehungsweise invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 26a an. Eine durch die Bewegung des Ankers 18 in der stromlos geschalteten Magnetspule 14 induzierte Spannung liegt somit an den Eingängen des Differenzverstärkers 26a an und kann von dem Differenzverstärker 26a verstärkt werden. Das Ausgangssignal 26.1a des Differenzverstärkers 26a charakterisiert also eine Differenz der an der ersten Magnetspule 14 anliegenden Potenziale. Obwohl diese Potenziale – als Folge der in diesem Zustand vergleichsweise hochohmigen Beschaltung der Magnetspule 14 – im Wesentlichen keinen definierten Bezug zum Massepotenzial 27 aufweisen, weist das Ausgangssignal 26.1a jedoch einen solchen Bezug auf und kann entsprechend präzise weiterverarbeitet und ausgewertet werden.
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Das Ausgangssignal 26.1a wird mittels des Tiefpassfilters 28a zu einem Ausgangssignal 28.1a gefiltert. Das Ausgangssignal 28.1a wird mittels des Differenzierers 30a zu einem Ausgangssignal 30.1a differenziert, das heißt, es wird eine erste zeitliche Ableitung gebildet. Das Ausgangssignal 30.1a wird – hinter dem Überspannungsschutz 31a – in dem Vergleicher 32a mit der Vergleichsspannung 34a verglichen. Wie in den nachfolgenden 2 bis 5 noch näher erläutert werden wird, kann beim Anschlagen des Ankers 18 an seinem in der 1 unteren Anschlag das Ausgangssignal 30.1a die Vergleichsspannung 34a übersteigen.
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Dabei sind der Differenzverstärker 26a, das Tiefpassfilter 28a, der Differenzierer 30a sowie die Vergleichsspannung 34a derart ausgelegt bzw. bemessen, dass ein Anschlagen des Ankers 18 an seinem Anschlag den Zustand bzw. ein Ausgangssignal 32.1a des Vergleichers 32a verändert. Dabei ergibt sich eine unvermeidliche, jedoch geringe, zeitliche Verzögerung, welche durch die technische Realisierung der Auswerteschaltung 10 bedingt ist. In dem Prozessor 36 können die Ausgangssignale 32.1a und 32.1b des ersten Schaltungszweiges und des zweiten Schaltungszweiges weiter ausgewertet werden. Beispielsweise kann die Kenntnis des Anschlagens des Ankers 18 an dem Anschlag durch den Prozessor 36 dazu verwendet werden, um eine Bestromung der zweiten Magnetspule 16 abzuschalten oder zu vermindern. Dadurch kann beispielsweise ein Anschlaggeräusch des Ankers 18 an dem Anschlag vermindert werden. In einer in der 1 nicht gezeigten alternativen Ausführungsform der Auswerteeinrichtung 38a kann der Prozessor 36 auch als digitale Logikschaltung ausgeführt sein.
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Mittels des Differenzverstärkers 26a wird die Differenz der Potenziale an den Anschlüssen der Magnetspulen 14 bzw. 16 definiert auf das Massepotenzial 27 bezogen. Vorliegend ermöglichen die in dem Überspannungsschutz 24a vorhandenen Reihenwiderstände zugleich eine Verstärkungseinstellung des Differenzverstärkers 26a.
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Die jeweils bestromte Magnetspule 14 bzw. 16 wird schaltend angesteuert, wobei ein durch diese Magnetspule 14 bzw. 16 fließender Strom 50 (siehe die 4) sowie ein durch den Strom 50 erzeugtes Magnetfeld im Wesentlichen periodisch zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert geschaltet wird. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung der jeweils bestromten Magnetspule 14 bzw. 16 mittels eines pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals (PBM). In an sich bekannter Weise erzeugt der Strom 50 in der Magnetspule 14 beziehungsweise 16 ein Magnetfeld, welches den Anker 18 bewegen kann. Der sich bewegende Anker 18 wiederum verursacht eine Veränderung des in den Magnetspulen 14 bzw. 16 vorliegenden Magnetfelds über der Zeit. Die Änderung des Magnetfeldes in den Magnetspulen 14 und 16 endet jedoch "schlagartig" beim Anschlagen des Ankers 18. Das sich derart nicht mehr ändernde Magnetfeld beeinflusst entsprechend eine Differenzspannung zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Magnetspule 14 bzw. 16. Dieser Einfluss der Änderung der induzierten Spannung wird vorliegend mit Hilfe der Auswerteschaltung 10 erkannt.
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Das Tiefpassfilter 28a hat die Aufgabe, das Ausgangssignal 26.1a des Differenzverstärkers 26a zu filtern und ist vorliegend mittels passiver Bauelemente ausgeführt. Insbesondere weist auch die jeweils nicht bestromte Magnetspule 14 bzw. 16 aufgrund der durch den Anker 18 bedingten magnetischen Kopplung zwischen den Magnetspulen 14 bzw. 16 zumindest Reste des an der jeweils bestromten Magnetspule 14 bzw. 16 anliegenden pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals (PBM) auf. Diese für die Funktion der Auswerteschaltung 10 störenden Reste des Ansteuersignals werden somit entfernt.
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Weiterhin kann sich im Betrieb des Differenzverstärkers 26a zusammen mit dem – vorliegend unmittelbar daran angeschlossenen – Tiefpassfilter 28a infolge einer in der 1 nicht dargestellten äußeren Beschaltung des Differenzverstärkers 26a eine Rückwirkung auf den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 26a ergeben. Diese Rückwirkung ist jedoch nicht in gleicher Weise für den nicht-invertierenden Eingang gegeben. Dadurch wird der Differenzverstärker 26a unsymmetrisch betrieben, wodurch das Ausgangssignal 26.1a gegebenenfalls in unerwünschter Weise verändert wird. Um die besagte mögliche Rückwirkung des Tiefpassfilters 28a auf den Differenzverstärker 26a zu unterbinden, kann zwischen dem Differenzverstärker 26a und dem Tiefpassfilter 28a ein Pufferverstärker geschaltet werden. Dieser ist in der Zeichnung jedoch nicht mit dargestellt.
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Der Differenzierer 30a der Auswerteschaltung 10 kann beispielsweise in an sich vorbekannter Weise mittels eines RC-Gliedes ausgeführt sein. Vorliegend sind die Elemente des Differenzierers 30a derart bemessen, dass sich ein Spannungshub von in etwa einem Volt (Spitze-Spitze) in dem für die Auswertung interessierenden Zeitintervall ergibt. Falls das von dem Differenzierer 30a aufgrund der zeitlichen Ableitung ausgegebene Ausgangssignal 30.1a eine in Bezug auf das Massepotenzial 27 negative Spannung ergibt, kann mittels eines sogenannten Pull-Up-Widerstandes das Ausgangssignal 30.1a in einen positiven Bereich verschoben werden. Dadurch ist eine nachfolgende Bearbeitung in dem Vergleicher 32a mit üblichen Bauelementen an einer positiven Versorgungsspannung möglich.
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Beispielsweise kann das Ausgangssignal 26.1a des Differenzverstärkers 26a einen Spannungshub von 12 Volt aufweisen. Dadurch kann das Ausgangssignal 30.1a des Differenzierers 30a vorliegend zeitweise mehr als 3.3 Volt betragen. Der Überspannungsschutz 31a kann somit den am Eingang des Vergleichers 32a liegenden Spannungshub auf einen für den Vergleicher 32a unschädlichen Wert begrenzen.
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Vorzugsweise ist der Vergleicher 32a als elektronischer Komparator ausgeführt und weist eine – vergleichsweise geringe – Hysterese auf, wodurch ein "Flattern" des Ausgangssignals 32.1a gegebenenfalls vermieden werden kann. Beispielsweise weist der Vergleicher 32a einen sogenannten Open-Drain-Ausgang auf, welcher mittels eines Widerstandes gegen eine positive Versorgungsspannung geschaltet ist, so dass ein digitaler Wert von Eins an dem Ausgang nahezu einer Betriebsspannung des Vergleichers 32a entspricht. Von dem Open-Drain-Ausgang des Vergleichers 32a ist ein Widerstand (nicht dargestellt) zu dem nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 32a geschaltet, woraus sich die besagte Hysterese ergibt. Ein Spannungshub des Ausgangssignals 32.1a ist derart bemessen, dass es von dem Prozessor 36 digital verarbeitet werden kann.
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Ein zu der beschriebenen Funktion der Auswerteschaltung 10 vergleichbares Verhalten ergibt sich in einem weiteren Betriebszustand, wenn der Anker 18 ausgehend von seiner in der Zeichnung unteren Position mittels Magnetkraft nach oben bewegt und das zugehörige Einspritzventil somit wieder geschlossen wird. Dabei findet eine zu dem ersten Schaltungszweig äquivalente Signalverarbeitung im zweiten Schaltungszweig der Auswerteschaltung 10 statt, welche daher hier nicht näher beschrieben wird.
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Es versteht sich, dass die in der 1 dargestellte Auswerteschaltung 10 nach dem Fachmann bekannten Methoden auch beliebig anders ausgeführt sein kann. Beispielsweise können die Multiplexerteile 20a und 22a Differenz-Eingänge aufweisen, so dass die Multiplexerteile 20a und 22a zusammen mit dem Differenzverstärker 26a eine schaltungstechnische Einheit bilden, welche vorzugsweise als integrierte Halbleiterschaltung ausgeführt ist. Ebenso ist es möglich, dass die ersten und die zweiten Magnetspulen 14 und 16 jeweils auch als eine einzige Magnetspule ausgeführt sein können, wobei diese einzige Magnetspule einen entsprechenden Windungsabgriff und somit insgesamt drei Anschlüsse aufweist.
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Auch in der Beschreibung der nachfolgenden 2 bis 5 werden wegen der beiden zueinander gleichartig ausgeführten Schaltungszweige im Allgemeinen nur die Bezugszeichen des in der 1 oberen ersten Schaltungszweigs (Indizes "a") verwendet.
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2 zeigt schematisch ein in der Zeichnung oberes Zeitdiagramm mit dem Ausgangssignal 28.1a (Ausgangsspannung) des Tiefpassfilters 28a und ein unteres Zeitdiagramm mit dem Ausgangssignal 32.1a (Ausgangsspannung) des Vergleichers 32a. Auf beiden Abszissen des dargestellten Koordinatensystems ist eine Zeit t aufgetragen. Die Diagramme weisen einen zueinander gleichen Zeitmaßstab auf. Wie oben bereits beschrieben, charakterisiert das Ausgangssignal 28.1a eine an den Anschlüssen der jeweiligen nicht bestromten Magnetspule 14 bzw. 16 anliegende induzierte Spannung.
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Man erkennt, dass das Ausgangssignal 28.1a ab einem Zeitpunkt t1 einen Schwellwert 40 überschreitet und danach zunächst bis zu einem relativen Maximum 42 ansteigt und danach wieder abfällt. In einem ersten Zeitintervall zwischen einem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3 während einer abfallenden Flanke des Ausgangssignals 28.1a ist ein Betrag einer zeitlichen Ableitung des Ausgangssignals 28.1a kleiner als es der Vergleichsspannung 34a entspricht. Das bedeutet vorliegend, dass das Ausgangssignal 32.1a einen digitalen Wert Null aufweist.
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In einem folgenden zweiten Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t3 und einem Zeitpunkt t4 ist dagegen der Betrag der zeitlichen Ableitung größer als es der Vergleichsspannung 34a entspricht. Das bedeutet vorliegend, dass das Ausgangssignal 32.1a einen digitalen Wert Eins aufweist. Nach dem Zeitpunkt t4 ist der Betrag der zeitlichen Ableitung wiederum kleiner als es der Vergleichsspannung 34a entspricht und das Ausgangssignal 32.1a weist somit wieder den digitalen Wert Null auf. Nach einem Zeitpunkt t5 unterschreitet das Ausgangssignal 28.1a den Schwellwert 40 wieder.
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Ein Pfeil 44 kennzeichnet zum Zeitpunkt t3 einen Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitintervall. Dieser Übergang ("Knick") charakterisiert das Anschlagen des Ankers 18 an seinem Anschlag. Daher ist die Vergleichsspannung 34a derart vorgegeben, dass das Ändern des Zustands des Ausgangssignals 32.1a möglichst genau zu dem Zeitpunkt t3 erfolgt. Ergänzend kann das Ausgangssignal 28.1a bzw. 32.1a mit einem Überschreiten des Schwellwerts 40 logisch verknüpft und die Auswertung somit noch zuverlässiger gemacht werden.
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3 zeigt einen in der Zeichnung rechten Ausschnitt der 2 in einem vergrößerten Maßstab und mit zusätzlichen Einzelheiten. Die zeitliche Ableitung bzw. deren Betrag wird vorliegend jeweils mittels eines (Differenzial-)Quotienten eines Spannungshubs 46 und einer Differenz zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3a, beziehungsweise mittels eines Quotienten eines Spannungshubs 48 und einer Differenz zwischen einem Zeitpunkt t3b und dem Zeitpunkt t4 ermittelt. Dabei entspricht ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t3a und dem Zeitpunkt t3b einer geringen, jedoch schaltungstechnisch nicht vermeidbaren zeitlichen Verzögerung zwischen dem Anschlagen des Ankers 18 und der ansteigenden Flanke des Ausgangssignals 32.1a.
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4 zeigt eine Darstellung von insgesamt vier Signalen, welche als Oszillogramm ermittelt wurden. Alle vier Signale weisen einen gleichen Bezug zur auf der Abszisse dargestellten Zeit t auf. Eine erste Kurve zeigt das Ausgangssignal 28.1a des Tiefpassfilters 28a für die jeweils nicht bestromte Magnetspule 14 bzw. 16 ähnlich zu der 2. Eine zweite Kurve zeigt das zugehörige Ausgangssignal 30.1a des Differenzierers 30a. Eine dritte Kurve zeigt das zugehörige Ausgangssignal 32.1a des Vergleichers 32a. Eine vierte Kurve zeigt einen zugehörigen durch die jeweils bestromte Magnetspule 14 bzw. 16 fließenden Strom 50. Eine Zeitlinie 52 charakterisiert den Beginn der Bestromung von jeweils einer der Magnetspulen 14 bzw. 16.
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Man erkennt, wie das durch den Pfeil 44 charakterisierte Anschlagen des Ankers 18 die Kurve des Ausgangssignals 28.1a zum Zeitpunkt t3 vergleichsweise schnell in der Zeichnung nach unten abknicken lässt. Im Ausgangssignal 30.1a zeigt sich dieser Knick – als Folge der zeitlichen Ableitung – als sehr steil abfallende Flanke. Mittels des Vergleichers 32a kann daraus mit guter Zuverlässigkeit auf den Zeitpunkt t3 geschlossen werden.
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Der dargestellte Strom 50 weist nach der Zeitlinie 52 eine zunächst monoton ansteigenden Flanke und danach das für eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung typische Dreiecksmuster auf. Die im Zeitverlauf des Stroms 50 sichtbaren Schaltvorgänge führen trotz des Tiefpassfilters 28a zu Störungen im Ausgangssignal 28.1a, sowie – durch die Wirkung des Differenzierers 30a verstärkt – im Ausgangssignal 30.1a. Wie zu erkennen, ist dies jedoch für die Funktion der Auswerteschaltung 10 im Wesentlichen unschädlich.
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5 zeigt ein Flussdiagramm zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben der Auswerteschaltung 10 für eine Brennkraftmaschine mit beispielsweise vier Zylindern. In einem Startblock 54 beginnt die in der Zeichnung dargestellte Prozedur. In einem Block 56 wird ermittelt, welcher der elektromagnetischen Aktoren 12 aktuell für eine Einspritzung betätigt wird. Weiterhin wird ermittelt, welche der Magnetspulen 14 bzw. 16 dieses Aktors 12 aktuell nicht bestromt wird bzw. werden soll.
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In einem folgenden Block 58 wird einer der Schalter 20.1a bis 20.4a und einer der Schalter 22.1a bis 22.4a, welche mit zwei Anschlüssen der aktuell nicht
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bestromten Magnetspule 14 bzw. 16 verbunden sind, geschlossen. Bei nicht bestromter erster Magnetspule 14 betrifft dies den ersten Multiplexer 19a, und bei nicht bestromter zweiter Magnetspule 16 betrifft dies den zweiten Multiplexer 19b.
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In einem folgenden Block 60 wird ermittelt, ob das Ausgangssignal 28.1a des Tiefpassfilters 28a den Schwellwert 40 überschritten hat. Falls dies der Fall ist, wird weiter geprüft, ob das Ausgangssignal 30.1a des Differenzierers 30a größer ist als die Vergleichsspannung 34a, das heißt, ob eine negative Flanke des Ausgangssignals 28.1a des Tiefpassfilters 28a eine vorgegebene Mindest-Steilheit aufweist. Ist dies der Fall, so ändert das Ausgangssignal 32.1a des Vergleichers 32a seinen digitalen Wert vorliegend von Null auf Eins.
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In einem folgenden Block 62 wird dann, wenn das Ausgangssignal 32.1a den digitalen Wert Eins aufweist, auf ein Anschlagen des Ankers 18 an seinen Anschlag geschlossen und die Bestromung der aktuell bestromten Magnetspule 14 bzw. 16 wird abgeschaltet. In einem folgenden Endeblock 64 endet die in der 5 dargestellte Prozedur.
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Es versteht sich, dass die in den Zeichnungen und den zugehörigen Beschreibungen dargestellten bzw. benannten Vorzeichen der verschiedenen Signale bzw. der Eingänge des Differenzverstärkers 26a – beispielsweise schaltungstechnisch bedingt – auch einen abweichenden Wert aufweisen können, sofern der jeweilige erfindungsgemäße Zweck erfüllt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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