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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor. Insbesondere betrifft die Erfindung das Abschalten des Elektromotors im Sicherheitsfall.
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Um einen Elektromotor in alternierenden Richtungen anzutreiben, kann eine sogenannte H-Brücke verwendet werden, die vier Stromventile umfasst. Der Elektromotor umfasst zwei Stromanschlüsse, die jeweils mittels eines ersten Stromventils mit einem hohen Potential und mittels eines zweiten Stromventils mit einem niedrigen Potential verbunden sind. Eine Verarbeitungseinrichtung steuert die vier Stromventile derart an, dass der Strom je nach Bedarf in der einen oder in der anderen Richtung durch den Elektromotor fließt.
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In sicherheitskritischen Anwendungen, beispielsweise an Bord eines Kraftfahrzeugs, muss die Ansteuerung des Elektromotors gesondert abgesichert werden. Insbesondere muss der Elektromotor abgeschaltet werden können, wenn ein Fehler festgestellt wurde. Dieser Fehler kann beispielsweise den Ausfall der Verarbeitungseinrichtung oder einer Betriebs- oder Zwischenspannung betreffen.
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JP 2013 162 693 A1 schlägt vor, einen Elektromotor, der an eine H-Brücke angeschlossen ist, elektrisch abzubremsen, wenn eine externe Kraft den Elektromotor dreht.
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EP 1 921 743 A1 zeigt eine PWM-Ansteuerung eines Elektromotors mittels einer H-Brücke vor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Steuerung eines Elektromotors, insbesondere für eine sicherheitskritische Anwendung, bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Vorrichtung zur Steuerung eines Elektromotors mit N Stromanschlüssen umfasst für jeden Stromanschluss ein High-Side-Stromventil zur Verbindung mit einem hohen Potential und ein Low-Side-Stromventil zur Verbindung mit einem niedrigen Potential, wobei jedes Stromventil einen Steueranschluss und zwei Leistungsanschlüsse aufweist und die Leistungsanschlüsse jeweils in Abhängigkeit eines Potentials am Steueranschluss niederohmig miteinander verbunden werden. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Verarbeitungseinrichtung zur Ansteuerung der Steueranschlüsse der Stromventile, um einen Strom durch den Elektromotor zu steuern, eine Sicherheitsschaltung zur Bereitstellung eines Fehlersignals und N Schalteinrichtungen, die alle verschiedenen High-Side-Stromventilen oder alle verschiedenen Low-Side-Stromventilen zugeordnet sind, jeweils zur Verbindung, in Abhängigkeit des Fehlersignals, des Steueranschlusses mit einem der Leistungsanschlüsse des Stromventils, um das Stromventil zu öffnen. Dadurch kann das Stromventil sicher geöffnet werden, sodass der Elektromotor nicht mehr aus den beiden Potentialen gespeist wird. Interne Ladungen des Stromventils, die dessen Durchlassverhalten steuern, können rasch und sicher abgebaut werden. Der Elektromotor kann so unabhängig von einer Ansteuerung der Stromventile durch die Verarbeitungseinrichtung stromlos geschaltet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Sicherheitsschaltung dazu eingerichtet, ein weiteres Fehlersignal bereitzustellen, wobei die Vorrichtung N weitere Schalteinrichtungen umfasst, die den verbleibenden Stromventilen zugeordnet sind, jeweils zur Verbindung, in Abhängigkeit des weiteren Fehlersignals, des Steueranschlusses des Stromventils mit einem vorbestimmten Potential, um das Stromventil zu schließen.
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Der Elektromotor kann auf diese Weise über die Stromventile kurzgeschlossen werden, sodass er elektrisch abgebremst wird. Einer externen Kraft, die den Elektromotor durchzudrehen versucht, kann so über die Selbstinduktion des Elektromotors entgegengewirkt werden. Der Elektromotor kann dadurch verbessert in den Stillstand gebracht und in diesem auch gehalten werden.
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In einer Ausführungsform sind die zu schließenden Stromventile mit dem niedrigen Potential verbunden, das insbesondere ein Massepotential umfassen kann. Die Stromanschlüsse des Elektromotors können so mit Masse verbunden werden, während sie gleichzeitig von dem hohen Potential getrennt bzw. nur hochohmig mit diesen verbunden sind. In einer anderen Ausführungsform werden umgekehrt die Stromventile geschlossen, die die Stromanschlüsse des Elektromotors mit dem hohen Potential verbinden, während die anderen Stromventile, die an das niedrige Potential führen, geöffnet sind.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das weitere Fehlersignal um eine vorbestimmte Zeit gegenüber dem Fehlersignal verzögert ist. Anders ausgedrückt ist es bevorzugt, dass zwei separate Fehlersignale generiert werden, wobei das erste bewirkt, dass die High-Side-Stromventile geöffnet werden und das zweite, dass die Low-Side-Stromventile geschlossen werden oder umgekehrt. In jedem Fall ist die vorbestimmte Zeit bevorzugterweise so gewählt, dass die zu öffnenden Stromventile vollständig in den hochohmigen Zustand versetzt sind, bevor die anderen Stromventile zum Kurzschließen des Elektromotors geschlossen werden. So kann ein Kurzschluss zwischen dem hohen und dem niedrigen Potential verhindert werden.
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Das vorbestimmte Potential kann unabhängig von einer Spannung zwischen dem hohen und dem niedrigen Potential sein. Anders ausgedrückt kann das vorbestimmte Potential separat abgesichert sein, um auch dann zur Verfügung zu stehen, wenn etwa die Spannung zwischen dem hohen und dem niedrigen Potential einbrechen sollte. Das Abschalten bzw. Abbremsen des Elektromotors kann so auch beispielsweise im Fall einer Unterspannung („Brown Out“) sicher erfolgen.
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Die Sicherheitsschaltung ist bevorzugterweise dazu eingerichtet, das Fehlersignal bereitzustellen, wenn eine Spannung zwischen dem hohen und dem niedrigen Potential unter einen vorbestimmten Wert abfällt oder wenn ein zeitgesteuerter Funktionswächter („Watchdog Timer“) länger als eine vorbestimmte Zeit durch die Verarbeitungseinrichtung unbetätigt blieb. Dadurch kann jeweils eine häufige Fehlerquelle beseitigt werden, die bewirken kann, dass eine Kontrolle über den Elektromotor gestört ist. In diesem Fall kann der Elektromotor sicher und auch ohne die Funktionalität der Verarbeitungseinrichtung angehalten bzw. abgebremst werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Steueranschlüsse der Stromventile mittels Dioden gegenüber den Schalteinrichtungen entkoppelt sind. So kann sichergestellt werden, dass die Stromventile unabhängig voneinander angesteuert werden können, wenn der Fehlerfall nicht vorliegt und die Schalteinrichtungen inaktiv sind.
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Es ist auch möglich, dass die Verarbeitungseinrichtung einen Anschluss zur Abtastung des Potentials an einem Steueranschluss eines Stromventils umfasst. Dadurch kann der tatsächliche Zustand des Stromventils durch die Verarbeitungseinrichtung zurückgelesen werden, sodass die Verarbeitungseinrichtung zusätzliche Schritte zur Einhaltung der Sicherheit im Bereich des Elektromotors durchführen kann. Zu diesen Schritten kann insbesondere eine Änderung der Ansteuerung der Steueranschlüsse der Stromventile zählen. In einer Ausführungsform hat die Verarbeitungseinrichtung keinen direkten Zugang auf die Sicherheitsschaltung, um die Vorrichtung einfach zu halten. In einer weiteren Ausführungsform kann die Verarbeitungseinrichtung Einfluss auf die Sicherheitsschaltung nehmen, beispielsweise um einen erfassten Fehler aktiv zu bekämpfen bzw. die Abschaltung der Sicherheitsschaltung zurückzunehmen, wenn die Kontrolle der Verarbeitungseinrichtung über den Elektromotor wieder möglich ist.
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Die Stromventile können insbesondere MOSFETs umfassen. Halbleiter dieser Art können kurze Schaltzeiten, einen niedrigen Widerstand zwischen den Leistungsanschlüssen im geschlossenen Fall oder ein hoher Widerstand im geöffneten Fall realisieren und so zur verbesserten Steuerung des Elektromotors 105 beitragen. Außerdem können MOSFETs durch die beschriebene Abschaltung besonders schnell und sicher in einen nichtleitenden Zustand versetzt werden.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein prinzipielles Schaltbild einer H-Brücke; und
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2 eine Ausführungsform der H-Brücke aus 1.
darstellt.
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1 zeigt ein prinzipielles Schaltbild einer Vorrichtung 100 zur Steuerung eines Elektromotors 105 mittels einer H-Brücke 110. Die Vorrichtung 100 kann insbesondere zur Verwendung an Bord eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein, beispielsweise um mittels des Elektromotors 105 einen Aktuator zu betätigen. Dabei kann eine durch den Elektromotor 105 umgesetzte Leistung praktisch beliebig sein; in unterschiedlichen Ausführungsformen sind Ströme durch den Elektromotor 105 zwischen einigen Milliampere und ca. 80 Ampere und mehr möglich.
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Zwischen einem hohen Potential 115 und einem niedrigen Potential 120 liegt eine Zwischenkreisspannung 125 an, die häufig ca. 12, 24 oder 48 Volt beträgt. Andere Werte, insbesondere unter 12 Volt, sind ebenfalls möglich. Die Zwischenkreisspannung 125 kann einer Bordspannung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs entsprechen oder aus dieser generiert werden, beispielsweise mittels eines DC-DC-Wandlers. Das niedrige Potential 120 ist bevorzugterweise ein Massepotential und kann mit einer Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs verbunden sein.
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Der Elektromotor 105 umfasst wenigstens zwei Stromanschlüsse 130. Umfasst der Elektromotor 105 eine Mehrphasen-Drehfeldmaschine, beispielsweise einen Asynchronmotor, können auch mehr Stromanschlüsse 130 vorgesehen sein. Jeder Stromanschluss 130 kann mittels eines High-Side-Stromventils 135 mit dem hohen Potential 115 und mittels eines Low-Side-Stromventils 140 mit dem niedrigen Potential 120 verbunden werden. Jedem Stromanschluss 130 ist also ein Paar Stromventile 135, 140 zugeordnet, die zu unterschiedlichen Potentialen 115, 120 führen. Dabei weist jedes Stromventil 135, 140 einen Steueranschluss 145, einen ersten Leistungsanschluss 150 und einen zweiten Leistungsanschluss 155 auf. Die Stromventile 135, 140 sind bevorzugterweise als MOSFETs ausgeführt, wobei der Steueranschluss 145 zu einem Gate und die Leistungsanschlüsse 150, 155 zu einem Drain bzw. einer Source führen können. In Abhängigkeit eines Potentials am Steueranschluss 145 werden die Leistungsanschlüsse 150 und 155 entweder niederohmig miteinander verbunden oder hochohmig voneinander getrennt.
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Zur Ansteuerung der Steueranschlüsse 145 der Stromventile 135, 140 ist eine Verarbeitungseinrichtung 160 vorgesehen. Die Verarbeitungseinrichtung 160 kann beispielsweise nur das in 1 links dargestellte High-Side-Stromventil 135 und das rechts dargestellte Low-Side-Stromventil 140 schließen, um den Elektromotor 105 zur Drehung in die eine Richtung, oder nur das rechts dargestellte High-Side-Stromventil 135 und das links dargestellte Low-Side-Stromventil 140 schließen, um den Elektromotor 105 zur Drehung in die andere Richtung anzusteuern. Zusätzlich kann die Verarbeitungseinrichtung 160 wenigstens eines der zu schließenden Stromventile 135, 140 mit einer vorbestimmten Frequenz bzw. einem vorbestimmten Tastverhältnis ansteuern, um eine Pulsweitenmodulation (PWM) zu realisieren.
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Eine Sicherheitsschaltung 165 funktioniert bevorzugterweise unabhängig von der Verarbeitungseinrichtung 160, kann mit dieser jedoch integriert ausgeführt sein, beispielsweise innerhalb des gleichen integrierten Schaltkreises. Die Sicherheitsschaltung 165 stellt ein Fehlersignal bereit, wenn ein Fehlerzustand an der Vorrichtung 100 erfasst wurde. Dieser Fehlerzustand kann beispielsweise eine zu geringe Zwischenkreisspannung 125 umfassen. Die Sicherheitsschaltung 165 kann einen zeitgesteuerten Funktionswächter umfassen, der in regelmäßigen Intervallen durch die Verarbeitungseinrichtung 160 zurückgesetzt werden muss, um ein automatisches Auslösen des Fehlersignals zu verhindern. Sollte die Verarbeitungseinrichtung 160 beispielsweise in eine unbeabsichtigte Endlosschleife geraten, in der sie den Funktionswächter nicht mehr betätigen kann, wird das Fehlersignal nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit des Funktionswächters automatisch ausgelöst.
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An jedem High-Side-Stromventil 135 ist eine erste Schalteinrichtung 170 und an jedem Low-Side-Stromventil 140 eine zweite Schalteinrichtung 175 vorgesehen, wobei in der Darstellung von 1 nicht alle erforderlichen Schalteinrichtungen 170, 175 dargestellt sind. Die erste Schalteinrichtung 170 dient dazu, bei vorliegendem Fehlersignal das High-Side-Stromventil 135 zu öffnen und die zweite Schalteinrichtung 175 dazu, bei vorliegendem Fehlersignal das Low-Side-Stromventil 140 zu schließen. In einer anderen Ausführungsform können auch das Low-Side-Stromventil 140 geöffnet und das High-Side-Stromventil 135 geschlossen werden, die Schalteinrichtungen 170, 175 können dazu an den Stromventilen 135, 140 vertauscht angebracht sein.
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Es ist bevorzugt, dass das Schließen eines Stromventils 135, 140 erst um eine vorbestimmte Zeit nach dem Öffnen des jeweils anderen Stromventils 135, 140 erfolgt.
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Dazu kann die Sicherheitsschaltung 165 ein erstes und ein zweites Fehlersignal bereitstellen, die den Schalteinrichtungen 170 und 175 zugeordnet und um eine vorbestimmte Zeit gegeneinander zeitverzögert sind.
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Vorliegend wird von Stromventilen 135, 140 mit positiver Logik ausgegangen, wobei ein hohes Potential an einem Steueranschluss 145 ein Schließen des Stromventils 135, 140 bewirkt und ein niedriges Potential ein Öffnen. Eine umgekehrte Zuordnung im Rahmen einer negativen Logik ist in einer anderen Ausführungsform auch möglich. Im vorliegenden Fall wird das High-Side-Stromventil 135 geöffnet, indem dessen Steueranschluss 145 mittels der ersten Schalteinrichtung 170 mit dem Leistungsanschluss 155 verbunden wird, der mit einem Stromanschluss 130 des Elektromotors 105 verbunden ist. Dadurch wird das Potential am Steueranschluss 145 so weit abgesenkt, dass die Leistungsanschlüsse 150, 155 elektrisch voneinander getrennt werden. Das Kurzschließen des Stromventils 135 kann insbesondere dann zu einem raschen und zuverlässigen Abschalten führen, wenn das Stromventil 135 als MOSFET aufgebaut ist, wobei eine Ladung, die den Stromfluss durch das Stromventil 135 steuert, rasch und effizient abgebaut werden kann.
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Zum Schließen eines Low-Side-Stromventils 140 wird dessen Steueranschluss 145 mittels der zweiten Schalteinrichtung 175 mit einem vorbestimmten Potential 180 verbunden, das bevorzugterweise unabhängig von der Zwischenkreisspannung 125 ist. Insbesondere ist bevorzugt, dass das vorbestimmte Potential 180 verpolgeschützt und nicht anderweitig verschaltet ist. Das Potential 180 bemisst sich bevorzugterweise bezüglich des niedrigen Potentials 120 und liegt bei positiver Logik über dem niedrigen Potential 120.
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Die Steueranschlüsse 145 der Stromventile 135, 140 können über Widerstände 185 mit der Verarbeitungseinrichtung 160 verbunden sein, um insbesondere einen übermäßigen Strom durch Anschlüsse der Verarbeitungseinrichtung 160 zu verhindern, wenn die Schalteinrichtungen 170, 175 geschlossen sind.
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Durch das Öffnen der High-Side-Stromventile 135 in Antwort auf das erste Fehlersignal wird der Elektromotor 105 von der Zwischenkreisspannung 125 getrennt. Werden zusätzlich anschließend die Low-Side-Stromventile 140 geschlossen, so sind beide Stromanschlüsse 130 des Elektromotors 105 mit dem gleichen Potential, hier dem niedrigen Potential 120, verbunden, sodass der Elektromotor 105 kurzgeschlossen und somit gebremst ist. Wie gesagt kann auch eine umgekehrte Schaltung erfolgen, bei der im Fehlerfall die Low-Side-Stromventile 140 geöffnet und die High-Side-Stromventile 135 geschlossen werden. Der Bremseffekt auf den Elektromotor 105 kann dabei praktisch der gleiche sein.
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2 zeigt eine Ausführungsform der H-Brücke 110 aus 1. Die Schalteinrichtungen 170 und 175 sind in der dargestellten Ausführungsform mittels PNP-Bipolartransistoren realisiert. Das Signal SS1 ist das erste Fehlersignal, das in der vorliegenden Ausführungsform ein hohes Potential annimmt, wenn der Fehlerfall vorliegt. Mittels eines Inverters 205 wird daraus ein negatives Signal (active low) generiert, sodass ein Treiber 210 ein niedriges Steuerpotential bereitstellt, wenn die High-Side-Stromventile 135 zu öffnen sind. Mittels optionaler Dioden 215 sind die ersten Schalteinrichtungen 170 mit dem Treiber 210 verbunden. Liegt das niedrige Steuerpotential an, so sperren die ersten Schalteinrichtungen 170; erst wenn das negative Steuerpotential ausbleibt, schalten die ersten Schalteinrichtungen 170 durch und verbinden jeweils einen Steueranschluss 145 mit einem zweiten Leistungsanschluss 155 des zugeordneten High-Side-Stromventils 135.
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Das zweite Fehlersignal ist als SS2 bezeichnet und nimmt ebenfalls einen hohen Pegel an, wenn der Fehlerfall vorliegt. Dabei ist das zweite Fehlersignal SS2 bevorzugterweise um eine vorbestimmte Zeit, die üblicherweise im Millisekunden-Bereich liegt, gegenüber dem ersten Fehlersignal SS1 verzögert. Das zweite Fehlersignal SS2 wird mittels eines weiteren Inverters 205 invertiert und das invertierte Signal wird mittels eines Treibers 210 verstärkt. Die zweite Schalteinrichtung 175 stellt in Antwort auf das zweite Fehlersignal SS2 mittels einer Zenerdiode 220 auf der Basis des vorbestimmten, geschützten Potentials 180 ein positives Steuerpotential bereit, das mittels weiterer optionaler Dioden 215 entkoppelt und mit den Steueranschlüssen 145 der Low-Side-Stromventile 140 verbunden ist.
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Optional kann ein Längswiderstand 225 („Shunt“) in einem der Leistungszweige, die zu Stromanschlüssen 130 des Elektromotors 105 führen, eingefügt sein, um einen durch den Elektromotor 105 fließenden Strom anhand der am Längswiderstand 225 abfallenden Spannung zu bestimmen.
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Optional können auch Steuerpotentiale, die zum Ansteuern der Schalteinrichtungen 170, 175 verwendet werden, zum Abtasten durch die Verarbeitungseinrichtung 160 vorbereitet sein. In der vorliegenden Ausführungsform sind dazu optionale R-C-Glieder 230 vorgesehen.
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Die Verarbeitungseinrichtung 160 und die Sicherheitsschaltung 165 arbeiten weitgehend unabhängig voneinander, sodass ein Fehler, beispielsweise in der Ablaufsteuerung der Verarbeitungseinrichtung 160, die Sicherheitsschaltung 165 zunächst nicht betrifft. Die Sicherheitsschaltung 165 überwacht jedoch Bedingungen der Steuerung des Elektromotors 105 durch die Verarbeitungseinrichtung 160, beispielsweise eine oder mehrere Spannungen oder bestimmte Abfolgen von Signalen. Beispielsweise kann ein Watchdog Timer vorgesehen sein, der abläuft, wenn er nicht in regelmäßigen Abständen durch die Verarbeitungseinrichtung 160 zurückgesetzt wird. Die maximale Zeit zwischen den Zurücksetzungen kann konfiguriert werden, in einer Ausführungsform über die Verarbeitungseinrichtung 160. Bestimmt die Sicherheitsschaltung 165 einen (oder mehrere) Fehlerzustände, so kann sie das Signal SS1 und optional auch das Signal SS2 ausgeben, um den Elektromotor 105 abzuschalten bzw. abzubremsen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 105
- Elektromotor
- 110
- H-Brücke
- 115
- hohes Potential
- 120
- niedriges Potential
- 125
- Zwischenkreisspannung
- 130
- Stromanschluss
- 135
- High-Side-Stromventil
- 140
- Low-Side-Stromventil
- 145
- Steueranschluss
- 150
- erster Leistungsanschluss
- 155
- zweiter Leistungsanschluss
- 160
- Verarbeitungseinrichtung
- 165
- Sicherheitsschaltung
- 170
- erste Schalteinrichtung
- 175
- zweite Schalteinrichtung
- 180
- vorbestimmtes Potential
- 185
- Widerstand
- 205
- Inverter
- 210
- Treiber
- 215
- Diode
- 220
- Zenerdiode
- 225
- Längswiderstand (Shunt)
- 230
- R-C-Glied
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2013162693 A1 [0004]
- EP 1921743 A1 [0005]
- US 2003164545 A1 [0006]
