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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Relaisbaugruppe mit einer Erregerspule.
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In einer Automatisierungseinrichtung besteht eine Sicherheitskette aus einem Sensor (Nothalt), einer Logik (Sicherheitsschaltgerät) und einem Aktor, wie z.B. einem Schütz und Motor. Für bestimmte Sicherheitsintegritätslevel, wie z.B. gemäß EN 61 508, und/oder Kategorien, wie z.B. gemäß EN ISO 13849, wird eine zweikanalige Struktur gefordert. Hierzu werden in Relais-Modulen mindestens zwei Relais verbaut, welche ein bestimmtes Sicherheitsniveau durch jeweilige Logikschaltungen gewährleisten. In diskret aufgebauten Schaltungen für die funktionale Sicherheit werden Relais direkt mit einem Eingangssignal oder über Transistoren oder FETs freigegeben oder eingeschaltet. Jedoch ist es bei diskret aufgebauten Schaltungen für die funktionale Sicherheit schwierig, Signale zu überwachen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Sicherheit weiter zu steigern.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch elektrisches Kurzschließen einer Erregerspule einer Relaisbaugruppe die Sicherheit bei der Ansteuerung/Freigabe von Relais deutlich gesteigert werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Schaltungsanordnung mit einer Relaisbaugruppe mit einer Erregerspule zusätzlich eine Sicherheitsschalteinrichtung aufweist, wobei in einem ersten Schaltzustand der Sicherheitsschalteinrichtung ein elektrischer Stromkreis mit mindestens der Erregerspule elektrisch kurzgeschlossen ist und in einem zweiten Schaltzustand der Sicherheitsschalteinrichtung der Stromkreis mit mindestens der Erregerspule elektrisch getrennt ist. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass durch den elektrischen Kurzschluss der Erregerspule eine Fehlbedienung der Relaisbaugruppe zuverlässig ausgeschlossen ist. Durch den elektrischen Kurzschluss erfolgt also keine Freigabe des Relais, während bei einer elektrischen Trennung das Relais freigegeben ist. Somit ist die Sicherheit gesteigert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Erregerspule einen ersten Erregerspulenanschluss und einen zweiten Erregerspulenanschluss auf, und die Sicherheitsschalteinrichtung weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss mit dem ersten Erregerspulenanschluss und der zweite Anschluss mit dem zweiten Erregerspulenanschluss elektrisch leitend verbunden ist, um im zweiten Schaltzustand den Stromkreis elektrisch kurzzuschließen. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass der elektrische Stromkreis unmittelbar mit dem ersten und zweiten Erregerspulenanschluss gebildet wird und eventuelle Kurzschlussströme nicht durch andere Abschnitte der Schaltungsanordnung fließen, wo sie Bauelemente der Schaltungsanordnung beschädigen können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Sicherheitsschalteinrichtung eine Transistorbaugruppe auf. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Sicherheitsschalteinrichtung aus leicht verfügbaren, zuverlässig funktionierenden und preiswerten Bauelementen, wie z.B. Transistoren, wie z.B. Bipolartransistoren, gebildet ist. So wird eine zuverlässige und preiswerte Sicherheitsschalteinrichtung bereitgestellt. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung einen Freigabesignaleingang für ein Freigabesignal auf, der mit einem Freigabesignaleingang der Ansteuerschaltung elektrisch leitend verbunden ist, wobei die Ansteuerschaltung mit der Relaisbaugruppe zur Ansteuerung der Relaisbaugruppe elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass ein an dem Freigabesignaleingang anliegendes Freigabesignal sowohl die Ansteuerschaltung als auch die Sicherheitsschalteinrichtung ansteuert. Somit sind die Ansteuerschaltung und Schaltungsanordnung parallel geschaltet angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Sicherheitsschalteinrichtung einen Eingangsanschluss auf, der mit einem Ansteuerausgang der Ansteuerschaltung elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass über die Ansteuerschaltung die Sicherheitsschalteinrichtung angesteuert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung einen Freigabesignaleingang für ein Freigabesignal auf, der mit einem Signaleingang einer Rückholschaltung elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass zugleich auch die Rückholschaltung mit dem Freigabesignal angesteuert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Rückholschaltung vorgesehen, die mit der Sicherheitsschalteinrichtung elektrisch in Verbindung steht, um einen Wechsel von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand zu bewirken. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Sicherheitsschalteinrichtung wieder deaktiviert werden kann, so dass sich die Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand befindet, in dem der Stromkreis elektrisch getrennt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Rückholschaltung eine Transistorbaugruppe auf. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Sicherheitsschalteinrichtung aus leicht verfügbaren, zuverlässig funktionierenden und preiswerten Bauelementen, wie z.B. Transistoren, gebildet ist. Als Transistoren können Bipolartransistoren verwendet werden. Somit wird eine zuverlässige und preiswerte Sicherheitsschalteinrichtung bereitgestellt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Rückholschaltung vorgesehen, die mit der Sicherheitsschalteinrichtung elektrisch in Verbindung steht, um einen Wechsel von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand zu bewirken. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Sicherheitsschalteinrichtung wieder deaktiviert werden kann, so dass sich die Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand befindet, in dem der Stromkreis elektrisch getrennt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Sicherheitsschalteinrichtung einen Eingangsanschluss auf, der mit einem Ansteuerausgang der Rückholschaltung elektrisch leitend verbunden ist. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Sicherheitsschalteinrichtung und die Rückholschaltung so miteinander verbunden sind, dass ein Aktivieren der Rückholschaltung die Schaltungsanordnung deaktiviert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Strombegrenzungsbaugruppe in Reihe elektrisch zu der Erregerspule angeordnet. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass Bauelemente der Schaltungsanordnung vor einer Beschädigung durch hohe Kurzschlussströme geschützt sind. Die Strombegrenzungsbaugruppe kann als Transistorbaugruppe ausgebildet sein und zusätzliche Umschaltwiderstände aufweisen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Sicherheitsschalteinrichtung für eine derartige Schaltungsanordnung. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass durch den elektrischen Kurzschluss der Erregerspule eine Fehlbedienung der Relaisbaugruppe zuverlässig ausgeschlossen ist. Somit ist die Sicherheit gesteigert.
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Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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1 einen schematische Schaltplan einer Schaltungsanordnung.
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Die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung 100 ist als Sicherheitsschaltung zum Einsatz in einer Sicherheitskette, z.B. bestehend aus einem Nothalt-Sensor, einem Sicherheitsschaltgerät und einem Aktor, in einer Automatisierungseinrichtung ausgebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schaltungsanordnung 100 diskret aufgebaut.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Schaltungsanordnung 100 einen Versorgungsanschluss 102, einen Masseanschluss 104 und einen Freigabesignaleingang 106 für ein Freigabesignal F auf. Ferner weist die Schaltungsanordnung 100 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Ansteuerschaltung 110, eine Relaisbaugruppe 108, eine Sicherheitsschalteinrichtung 112, eine Rückholschaltung 114 und eine Strombegrenzungsbaugruppe 116 auf.
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Die Relaisbaugruppe 108 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Erregerspule 118 mit einem ersten Erregerspulenanschluss 122 und einem zweiten Erregerspulenanschluss 124 sowie einer Freilaufdiode 120 auf. Mit dem ersten Erregerspulenanschluss 122 und dem zweiten Erregerspulenanschluss 124 ist die Freilaufdiode 120 elektrisch leitend verbunden, so dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Freilaufdiode 120 parallel zur Erregerspule 118 geschaltet ist.
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Zwischen dem ersten Erregerspulenanschluss 122 und dem Versorgungsanschluss 102 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Strombegrenzungsbaugruppe 116 angeordnet, so dass die Strombegrenzungsbaugruppe 116 und die Relaisbaugruppe 108 mit der Erregerspule 118 elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Die Strombegrenzungsbaugruppe 116 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, wie z.B. einem PCT-Widerstand (nicht dargestellt) oder aus Transistoren (nicht dargestellt) und ohmschen Widerständen (nicht dargestellt) gebildet.
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Ferner weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Relaisbaugruppe 108 einen ersten Anschluss 172 und einen zweiten Anschluss 174 auf. Der erste Anschluss 172 ist mit dem ersten Erregerspulenanschluss 122, und der zweite Anschluss 174 ist mit dem zweiten Erregerspulenanschluss 124 elektrisch leitend verbunden.
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Mit dem ersten Anschluss 172 und dem zweiten Anschluss 174 ist die Sicherheitsschalteinrichtung 112 elektrisch leitend verbunden. Sie ist somit im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu der Erregerspule 118 elektrisch parallel geschaltet. Die Sicherheitsschalteinrichtung 112 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Transistorbaugruppe 126, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Transistor 128, wie z.B. einen Bipolartransistor, sowie zwei ohmsche Widerstände 132, 134 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Spannungsteiler 130 zur Versorgung der Basis des Transistors 128 bilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Transistor 128 als Bipolartransistor ausgebildet, wobei der Kollektor des Transistors 128 mit dem ersten Anschluss 172 und der Emitter des Transistors 128 mit dem zweiten Anschluss 174 verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Transistor als NPN-Transistor ausgebildet.
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Somit bildet im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 128 mit der Erregerspule 118 einen elektrischen Stromkreis 180, mit dem die Erregerspule 118 kurzgeschlossen werden kann.
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Die Ansteuerschaltung 110 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Signaleingang 166 auf, der über einen ohmschen Eingangswiderstand 150 der Schaltungsanordnung 100 mit dem Freigabesignaleingang 106 elektrisch leitend verbunden ist. Ferner weist die Ansteuerschaltung 110 einen Ansteuerausgang 178 auf, der elektrisch leitend mit einem ersten Eingangsanschluss 168a der Sicherheitsschalteinrichtung 112 elektrisch leitend verbunden ist. Der erste Eingangsanschluss 168a stellt eine elektrische Verbindung zu der Erregerspule 118, zu der Freilaufdiode 120, zu der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 128 und zu dem ohmschen Widerstand 134 des Spannungsteilers 130 her.
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Ferner weist die Ansteuerschaltung 110 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Transistorbaugruppe 154 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Transistor 156, zwei ohmsche Widerstände 160, 162 sowie eine Eingangsdiode 164 aufweist. Die beiden ohmschen Widerstände 160, 162 bilden einen Spannungsteiler 158 zur Versorgung der Basis des Transistors 156, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Bipolartransistor ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Transistor als NPN-Transistor ausgebildet.
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Zwischen dem ohmschen Widerstand 160 und dem Signaleingang 166 der Ansteuerschaltung 110 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Eingangsdiode 164 angeordnet. Der Emitter des Transistors 156 ist mit dem Masseanschluss 104 der Schaltungsanordnung 100 elektrisch leitend verbunden.
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Ferner ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein zweiter Eingangsanschluss 168b der Sicherheitsschalteinrichtung 112 elektrisch leitend mit einem Ansteuerausgang 176 der Rückholschaltung 114 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der zweite Eingangsanschluss 168b mit dem ohmschen Widerstand 132 elektrisch leitend verbunden.
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Somit sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ansteuerschaltung 110 und die Rückholschaltung 114 parallel zueinander angeordnet. Sowohl der Ansteuerschaltung 110 als auch der Rückholschaltung 114 werden eingangsseitig über die jeweiligen Signaleingänge 152 166 das Freigabesignal F zugeführt. Ausgangsseitig sind sowohl die Ansteuerschaltung 110 als auch die Rückholschaltung 114 mit der Sicherheitsschalteinrichtung 112 über die jeweiligen Ansteuerausgänge 176, 178 mit dem ersten Eingangsanschluss 168a und zweiten Eingangsanschluss 168b elektrisch leitend verbunden.
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Die Rückholschaltung 114 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Signaleingang 152 auf, der mit dem Freigabesignaleingang 106 der Schaltungsanordnung 100 elektrisch leitend verbunden ist. Ferner weist die Rückholschaltung 114 einen elektrischen Versorgungseingang 170 auf, mit dem die Rückholschaltung 114 mit dem Versorgungsanschluss 102 elektrisch leitend verbunden ist. Des Weiteren weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Rückholschaltung 114 eine Transistorbaugruppe 136 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Transistor 138, im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Bipolartransistor, sowie einen Spannungsteiler 140 mit einem ohmschen Widerstand 142 und einem ohmschen Widerstand 144 sowie eine Eingangsdiode 146 und einen ohmschen Eingangswiderstand 148 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Transistor 138 als NPN-Transistor ausgebildet.
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Die Eingangsdiode 146 ist zwischen dem Signaleingang 152 der Rückholschaltung 114 und dem ohmschen Widerstand 142 des Spannungsteilers 140 angeordnet, der zur Versorgung der Basis des Transistors 138 dient. Zwischen dem Versorgungsanschluss 102 und dem Kollektor des Transistors 138 ist der ohmsche Eingangswiderstand 148 angeordnet, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem ohmschen Eingangswiderstand 148 und dem Kollektor des Transistors 138 der Ansteuerausgang 176 der Rückholschaltung 114 angeordnet ist. Ferner ist sowohl der Emitter des Transistors 138 als auch der zweite ohmsche Widerstand 144 des Spannungsteilers 140 mit dem Masseanschluss 104 elektrisch leitend verbunden.
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Wenn im Betrieb ein Freigabesignal F an dem Freigabesignaleingang 106 anliegt, wird die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 156 der Ansteuerschaltung 110 elektrisch leitend. In Folge fließt ein elektrischer Strom von dem Versorgungsanschluss 102 durch die Erregerspule 118 zu dem Masseanschluss 104. Ferner bewirkt das Freigabesignal F, dass die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 138 der Rückholschaltung 114 elektrisch leitend wird. Somit fließt ein elektrischer Strom von dem Versorgungsanschluss 102 durch den ohmschen Eingangswiderstand 148 der Rückholschaltung 114 und der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 138 zu dem Masseanschluss 104. Daher ist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 128 der Sicherheitsschalteinrichtung 112 elektrisch nicht leitend, so dass sich die Sicherheitsschalteinrichtung 112 in einem ersten Schaltzustand befindet, in dem die Erregerspule 118 elektrisch kurzgeschlossen ist und die Relaisbaugruppe 108 somit freigegeben ist.
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Wenn hingegen kein Freigabesignal F an dem Freigabesignaleingang 106 anliegt, ist in der Folge die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 156 der Ansteuerschaltung 110 nicht mehr elektrisch leitend, so dass die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 128 der Sicherheitsschalteinrichtung 112 elektrisch leitend wird. Daher befindet sich nun die Sicherheitsschalteinrichtung 112 in einem Schaltzustand, in dem der elektrische Stromkreis 180 elektrisch kurzgeschlossen ist. Die im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehene Strombegrenzungsbaugruppe 116 stellt dabei sicher, dass in der Sicherheitsschaltung 100 keine elektrischen Ströme mit Stromstärken auftreten, die zu einer Beschädigung von Bauteilen der Sicherheitsschaltung 100 durch Überlastung führen können.
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Somit schließt im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Transistor 128 der Sicherheitsschalteinrichtung 112 die Erregerspule 118 der Relaisbaugruppe 108 so lange kurz, solange kein Freigabesignal F am Freigabesignaleingang 106 anliegt. Dadurch kann die Relaisbaugruppe 108 nicht mehr freigegeben werden. Der Transistor 138 der Rückholschaltung 114 bewirkt ein Deaktivieren des Transistors 128 der Sicherheitsschalteinrichtung 112, so dass der Stromkreis 180 geöffnet wird und damit der elektrische Kurzschluss aufgehoben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schaltungsanordnung
- 102
- Versorgungsanschluss
- 104
- Masseanschluss
- 106
- Freigabesignaleingang
- 108
- Relaisbaugruppe
- 110
- Ansteuerschaltung
- 112
- Sicherheitsschalteinrichtung
- 114
- Rückholschaltung
- 116
- Strombegrenzungsbaugruppe
- 118
- Erregerspule
- 120
- Freilaufdiode
- 122
- erster Erregerspulenanschluss
- 124
- zweiter Erregerspulenanschluss
- 126
- Transistorbaugruppe
- 128
- Transistor
- 130
- Spannungsteiler
- 132
- ohmscher Widerstand
- 134
- ohmscher Widerstand
- 136
- Transistorbaugruppe
- 138
- Transistor
- 140
- Spannungsteiler
- 142
- ohmscher Widerstand
- 144
- ohmscher Widerstand
- 146
- Eingangsdiode
- 148
- Eingangswiderstand
- 150
- Eingangswiderstand
- 152
- Signaleingang
- 154
- Transistorbaugruppe
- 156
- Transistor
- 158
- Spannungsteiler
- 160
- ohmscher Widerstand
- 162
- ohmscher Widerstand
- 164
- Eingangsdiode
- 166
- Signaleingang
- 168a
- erster Eingangsanschluss
- 168b
- zweiter Eingangsanschluss
- 170
- Versorgungseingang
- 172
- erster Anschluss
- 174
- zweiter Anschluss
- 176
- Ansteuerausgang
- 178
- Ansteuerausgang
- 180
- elektrischer Stromkreis
- F
- Freigabesignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN 61 508 [0002]
- EN ISO 13849 [0002]
