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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Elektromotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Derartige Schaltungsanordnungen umfassen u.a. eine Brückenschaltung zur Ansteuerung des Elektromotors. Insbesondere handelt es sich bei der Brückenschaltung um eine sog. Vollbrücke, die vier in zwei Paaren angeordnete Schalter (insbesondere elektronische Schalter, zum Beispiel MOSFETs) aufweist. Beispielsweise ist in der
EP 2 444 289 B1 eine derartige Vollbrücke beschrieben. Nach dem Start des Elektromotors durch Zuführen einer Spannung über die Brückenschaltung steigt der Motorstrom zunächst an, bis eine Rotation des Rotors des Elektromotors einsetzt. Durch die Motorrotation wird jedoch eine Gegenspannung induziert, die zur Folge hat, dass der Motorstrom wieder abfällt. Insbesondere fällt der Motorstrom unter einen vorgegebenen zulässigen Maximalwert, so dass der Motor in dieser Phase des Betriebes mit einem geringeren Motorstrom und damit mit einer geringeren Leistung als eigentlich zugelassen läuft.
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Aus den Druckschriften
US 2015 / 0 088 384 A1 und
US 2016 / 0 355 170 A1 sind Schaltungsanordnungen zum Betreiben eines Elektromotors bekannt, die eine Hauptspannungsquelle und eine zusätzliche Spannungsquelle in Form eines Kondensators umfassen.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, einen möglichst effizienten Betrieb eines Elektromotors zu ermöglichen.
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Dieses Problem wird durch die Bereitstellung der Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Danach wird eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Elektromotors, insbesondere eines Gurtstraffers einer Sicherheitsgurtanordnung eines Kraftfahrzeuges, zur Verfügung gestellt, mit
- - einer Brückenschaltung, über die der Elektromotor mit einer Spannung einer Spannungsquelle beaufschlagbar ist;
- - mindestens einem durch die Spannungsquelle aufladbaren Kondensator, wobei der Elektromotor über die Brückenschaltung mit einer Spannung des Kondensators beaufschlagbar ist;
- - mindestens einem Ladeschalter, der so angeordnet ist, dass ein Laden des Kondensators mit Hilfe der Spannungsquelle abhängig von dem Schaltzustand des Ladeschalters erfolgt;
- - mindestens einen Beaufschlagungsschalter, wobei ein Beaufschlagen des Elektromotors mit der Spannung des Kondensators abhängig von dem Schaltzustand des Beaufschlagungsschalters erfolgt; und
- - einer Steuerschaltung zum Schalten des Beaufschlagungsschalters, wobei
- - die Steuerschaltung ausgebildet ist, den Beaufschlagungsschalter in einen Schaltzustand zu schalten, in dem ein Beaufschlagen des Elektromotors mit der Spannung des Kondensators erfolgt, wenn der zu dem Elektromotor fließende Strom ein Maximum erreicht.
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Bei der Brückenschaltung handelt es sich insbesondere um die eingangs bereits erwähnte Vollbrücke mit vier in zwei Paaren angeordneten Schaltern (insbesondere in Form von MOSFET-Schaltern). Einige der Schalter der Brückenschaltung werden getaktet geschaltet, wobei über die Taktung die Leistung des Elektromotors, bei dem es sich insbesondere um einen Gleichstrommotor handelt, gesteuert werden kann. Insbesondere wird ein Schalter eines der Schalterpaare dauerhaft eingeschaltet, während ein Schalter des anderen Schalterpaares periodisch ein- und ausgeschaltet wird.
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Zusätzlich zu den Schaltern der Brückenschaltung weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mindestens einen Ladeschalter sowie mindestens einen Beaufschlagungsschalter auf, die jeweils ebenfalls in Form eines elektronischen Schalters (z.B. ebenfalls in Form eines MOSFETs) ausgebildet sein können. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist z.B. zumindest teilweise auf einer Leitplatte (Platine) angeordnet.
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Mit Hilfe der im Kondensator gespeicherten elektrischen Energie ist es möglich, dem Elektromotor zu einem im Prinzip beliebig wählbaren Zeitpunkt eine zusätzliche Spannung zuzuführen. So wird der Elektromotor durch Schalten des Beaufschlagungsschalters zu dem gewünschten Zeitpunkt mit der Kondensatorspannung beaufschlagt. Durch die Beaufschlagung des Elektromotors mit der Kondensatorspannung wird insbesondere der Abnahme des Motorstroms (des durch den Elektromotor fließenden Stroms) durch die bei Rotation des Motors auftretende Induktion einer Gegenspannung entgegengewirkt und somit eine möglichst hohe Motordrehzahl erzeugt. Auf diese Weise lässt sich die Motorleistung ohne eine Vergrößerung des Motors und somit ohne deutlich erhöhte Kosten, einen erhöhten Bauraumbedarf, ohne Gewichtserhöhung und ohne erhöhte Stromaufnahme steigern. Zudem könnten durch Zuschaltung der Kondensatorspannung zur Betriebsspannung Spannungsschwankungen der Spannungsquelle zumindest teilweise ausgeglichen werden. Denkbar ist auch, dass die Kondensatorspannung dem Elektromotor nicht zusätzlich zu der Betriebsspannung (der von der Spannungsquelle bereitgestellten Spannung), sondern anstelle der Betriebsspannung zugeführt wird.
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Bei dem Kondensator handelt es sich beispielsweise um einen Superkondensator. Derartige Superkondensatoren sind insbesondere elektrochemische Kondensatoren mit hoher Leistungsdichte und Kapazität (z.B. von über 1000 oder 2000 F). Denkbar ist auch, dass mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren (insbesondere Superkondensatoren) verwendet werden.
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Möglich ist darüber hinaus, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen zweiten Beaufschlagungsschalter aufweist, wobei ein Beaufschlagen des Elektromotors über die Brückenschaltung mit der Spannung des Kondensators auch abhängig von dem Schaltzustand des zweiten Beaufschlagungsschalters erfolgt. Mit anderen Worten umfasst die Schaltungsanordnung in diesem Ausführungsbeispiel mindestens zwei Beaufschlagungsschalter, über die jeweils die Kondensatorspannung der Brückenschaltung und damit dem Elektromotor zuführbar ist
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Gemäß der Erfindung umfasst die Schaltungsanordnung eine Steuerschaltung (etwa in Form eines Mikrocontrollers) zum Schalten des Beaufschlagungsschalters. Beispielsweise ist die Steuerschaltung ausgebildet, den Beaufschlagungsschalter zu einem vorgebbaren Zeitpunkt in einen Schaltzustand zu schalten, in dem ein Beaufschlagen des Elektromotors mit der Spannung des Kondensators erfolgt. Beispielsweise wird der Beaufschlagungsschalter hierfür in einen geschlossenen Zustand geschaltet, wobei die Kondensatorspannung (ein Kondensatorstrom) über den geschlossenen Beaufschlagungsschalter zur Brückenschaltung und damit dem Elektromotor zugeführt wird.
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Die Steuerschaltung ist ausgebildet, den Beaufschlagungsschalter in Abhängigkeit von einem zu dem Elektromotor fließenden Strom (und ggf. auch von einer Motordrehzahl) in einen Schaltzustand zu schalten, in dem ein Beaufschlagen des Elektromotors mit der Spannung des Kondensators erfolgt. Der Beaufschlagungsschalter wird in diesen Schaltzustand geschaltet, wenn der zu dem Elektromotor fließende Strom ein (insbesondere vorgegebenes) Maximum erreicht.
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Die Steuerschaltung kann auch ausgebildet sein, den Beaufschlagungsschalter zu einem vorgebbaren Zeitpunkt, abhängig von einem zu dem Elektromotor fließenden Strom und/oder abhängig von einer Motordrehzahl in einen Schaltzustand zu schalten, in dem kein Beaufschlagen des Elektromotors mit der Spannung des Kondensators erfolgt. So wird der Beaufschlagungsschalter insbesondere in diesen Schaltzustand geschaltet, wenn das Beaufschlagen des Elektromotors mit der Kondensatorspannung beendet werden soll. Dieser Schaltzustand des Beaufschlagungsschalters wird insbesondere durch Öffnen des Beaufschlagungsschalters erzeugt.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist eine Schnittstelle vorgesehen, über die der Kondensator lösbar mit einer Platine der Schaltungsanordnung verbunden ist. Dies ermöglicht insbesondere einen Austausch des Kondensators bei einem Defekt. Zudem wird die Verwendung eines Kondensators in Abhängigkeit von einer gewünschten Auslegung der Schaltungsanordnung vereinfacht.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann (zusätzlich zu dem Kondensator) auch einen Aufwärtswandler (Boost-Konverter) zum Erhöhen der der Brückenschaltung zugeführten Spannung aufweisen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Sicherheitsgurtvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer wie oben beschrieben ausgebildeten Schaltungsanordnung sowie einem mit Hilfe der Schaltungsanordnung betriebenen Elektromotor zum Antreiben einer Gurtspindel der Sicherheitsgurtvorrichtung. Insbesondere ist die Schaltungsanordnung Bestandteil eines (z.B. reversiblen) Gurtstraffers der Sicherheitsgurtvorrichtung, der zur Straffung des Sicherheitsgurtes der Sicherheitsgurtvorrichtung im Vorfeld einer Kollision („pre-crash“) und/oder bei Eintritt einer Kollision dient.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors, insbesondere eines Gurtstraffers einer Sicherheitsgurtanordnung eines Kraftfahrzeuges, mit den Schritten:
- - Bereitstellen einer Brückenschaltung, über die der Elektromotor mit einer Spannung einer Spannungsquelle beaufschlagbar ist, sowie mindestens eines Kondensators;
- - Aufladen des Kondensators mit Hilfe der Spannungsquelle durch Schalten eines Ladeschalters;
- - Beaufschlagen des Elektromotors über die Brückenschaltung mit einer Spannung des Kondensators durch Schalten eines Beaufschlagungsschalters; sowie
- - Schalten des Beaufschlagungsschalters in einen Schaltzustand, in dem ein Beaufschlagen des Elektromotors mit der Spannung des Kondensators erfolgt, wenn der zu dem Elektromotor fließende Strom ein Maximum erreicht.
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Die weiter oben beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können selbstverständlich analog auch zur Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. So erfolgt ein Schalten des Beaufschlagungsschalters insbesondere zu einem vorgebbaren Zeitpunkt, und/oder abhängig von einer Drehzahl des Elektromotors.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 den Motorstrom, die Motordrehzahl und die Gurtkraft bei Verwendung einer konventionellen Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Elektromotors eines Gurtstraffers einer Sicherheitsgurteinrichtung; und
- 2 einen Schaltplan einer Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei dem Betrieb eines Elektromotors eines Gurtstraffers einer Sicherheitsgurtanordnung wird durch Anlegen einer Spannung an den Elektromotor über eine Brückenschaltung bei Beginn der Gurtstraffung ein Magnetfeld in der Motorwicklung aufgebaut, wobei der Strom in der Ankerwicklung des Elektromotors (Motorstrom) steil ansteigt, wie dies in 1 dargestellt ist. Die Gurtstraffung beginnt danach zu einem Zeitpunkt T0, wobei der Motor jedoch zunächst in Ruhe bleibt.
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Zu einem Zeitpunkt T1 erreicht der Motorstrom einen vorgegebenen zugelassenen Maximalwert Imax und der Motor beginnt zu rotieren. Der Maximalstrom Imax (z.B. 40 A) darf beispielsweise nur für eine vorgegebene Zeitspanne erreicht werden; beispielsweise ist das Zuführen von Imax auf eine Maximalzeit von 300 ms begrenzt. Ab dem Zeitpunkt T1 bis zu einem Zeitpunkt T2 steigt die Motordrehzahl stark an; insbesondere, da in diesem Zeitraum Gurtbandlose vorhanden sind und der zu schützende Fahrzeuginsasse nicht oder jedenfalls nicht sehr weit vorverlagert ist (d.h. keinen oder keinen großen Abstand von einer Rückenlehne eines Fahrzeugsitzes aufweist). Gleichzeitig baut der Elektromotor Rotationsenergie auf, da eine schnelle Rotation des Motors (insbesondere durch eine entsprechende Übersetzung eines mit dem Elektromotor zusammenwirkenden Getriebes) möglich ist und der Motoranker Energie aufnimmt. Je größer die Motordrehzahl zum Zeitpunkt T2 ist, desto größer ist die im Motor gespeicherte Rotationsenergie, von der wiederum die maximal erzeugbare Gurtkraft Fmax abhängt.
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Darüber hinaus erzeugt der Elektromotor während der Rotation durch Induktion eine Gegenspannung, die zur Folge hat, dass der Motorstrom nach dem Zeitpunkt T1 zurückgeht.
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Zu dem Zeitpunkt T2 sind die Gurtlose zumindest im Wesentlichen eliminiert und der Sicherheitsgurt liegt überwiegend oder sogar zumindest im Wesentlichen vollständig an dem Fahrzeuginsassen an und übt entsprechend eine Rückverlagerungskraft auf den Fahrzeuginsassen aus, die diesen in Richtung auf die Sitzlehne bewegt. Hierdurch steigt die vom Gurt auf den Fahrzeuginsassen ausgeübte Kraft (die Gurtkraft) an. Infolgedessen wird der Elektromotor abgebremst und die Rotationsenergie des Motors wird zumindest teilweise in den Fahrzeuginsassen (z.B. als Kompressions- oder Verformungsenergie) und/oder in die Sicherheitsgurtanordnung eingeleitet. Entsprechend steigt die Gurtkraft bis zum Erreichen eines maximalen Wertes zu einem Zeitpunkt T3 an. Zudem steigt auch der Motorstrom wieder an, und zwar bis zu dem vorgegebenen Maximalwert Imax, so dass der Elektromotor in dieser Phase des Betriebes sein maximales Drehmoment abgibt.
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Schließlich sinkt die Gurtkraft nach dem Zeitpunkt T3 etwas, da der Motor eine Vorverlagerung des Fahrzeuginsassen nach vorne (insbesondere bei Eintreten einer Kollision des Fahrzeuges oder auch ohne Eintritt einer Kollision) nicht vollständig verhindern kann.
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Wie erläutert, fällt der Motorstrom ab dem Zeitpunkt T1 unter den zugelassenen Maximalwert Imax und erreicht den Maximalwert Imax erst wieder zu dem Zeitpunkt T3 (schraffierte Fläche in der oberen Grafik der 1, die der nicht genutzten Energie entspricht). Zwischen den Zeitpunkten T1 und T3 gibt der Motor somit nicht sein maximal mögliches Drehmoment ab, was zu einer Effizienzeinbuße bei Betrieb des Elektromotors und somit des Gurtstraffers führt.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung lässt sich jedoch eine Erhöhung des Motorstroms insbesondere in dieser Phase des Betriebs des Elektromotors erreichen. Beispielsweise kann hierfür eine Schaltungsanordnung 1 gemäß 2, die sich auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht, vorgesehen sein. Diese Schaltungsanordnung 1, die z.B. durch eine ECU - electronic control unit einer motorbetriebenen Sicherheitsgurtanordnung ausgebildet sein kann, umfasst eine Brückenschaltung 2 zum Betrieb eines DC-Elektromotors 3 eines Gurtstraffers. Der Elektromotor 3 ist ein Teil eines Retraktors 30 und treibt über ein Getriebe 31 eine Spindel 32 zum Aufwickeln eines Sicherheitsgurtes (nicht dargestellt) an.
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Die Brückenschaltung 2 umfasst eine Vollbrücke und z.B. auch einen Brückentreiber. Insbesondere umfasst die Brückenschaltung 2 zwei Paare von seriell geschalteten MOSFET-Schaltern TR1 und TR2 bzw. TR3 und TR4. Zur Ansteuerung der Brückenschaltung 2 dient ein Mikrocontroller 7, der über einen CAN-Bus 81 mit einem fahrzeugseitigen CAN-Bus 82 verbindbar ist. Die Schaltungsanordnung 1 weist des Weiteren eine Verpolungschutzschaltung 83 auf. Vom Mikrocontroller 7 gehen Steuerleitungen („DigitalControl“, „SPI Bus Control“) insbesondere zu der Verpolungschutzschaltung 83, zu einem Boost-Konverter 6 und zu der Brückenschaltung 2 ab.
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Die Brückenschaltung 2 und damit der Elektromotor 3 werden über eine fahrzeugseitige Spannungsquelle 4 mit einer Spannung (Betriebsspannung Ubat) versorgt (über einen Eingangsfilter 9). Zum Beaufschlagen der Brückenschaltung 2 und damit des Elektromotors 3 ist zudem ein Kondensator in Form eines Superkondensators 5 (oder eine Reihenschaltung mehrerer Superkondensatoren) vorhanden. Der Superkondensator 5 wird über die Spannungsquelle 4 aufgeladen und zwar über Widerstände R1 und R2 und sofern ein über den Widerstand R2 mit einem Anschluss 51 des Kondensators 5 verbundener Ladeschalter S2 geschlossen ist. Bei Erreichen einer vorgegebenen Ladespannung wird S2 geöffnet und der Ladevorgang des Superkondensators 5 somit beendet.
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Der Widerstand R1 kann höherohmig ausgelegt sein, um bei einem Zuschalten der Spannung des Superkondensators 5 zum Elektromotor 3 einen Entladungsstrom über den Betriebsspannungspfad möglichst gering zu halten. Darüber hinaus kann der Betriebsspannungspfad eine (optionale) Diode D1 (in Serie mit dem Widerstand R1) aufweisen. Ist die Diode D1 vorhanden, könnte der Widerstand R1 entfallen, so dass der Superkondensator 5 über die Diode D1 und den Widerstand R2 geladen würde. Denkbar wäre auch, dass der Superkondensator 5 nur über den Widerstand R1 geladen wird (ohne die Diode D1 und den Widerstand R2). Über den Boost-Konverter 6 könnte die Ladespannung am Superkondensator 5 überwacht werden.
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Die Schaltungsanordnung 1 weist des Weiteren zwei Beaufschlagungsschalter S1A und S1B auf, die jeweils so angeordnet und ausgebildet sind, dass durch Schließen der Beaufschlagungsschalter S1A, S1B eine Spannung des Kondensators 5 (Kondensatorspannung) der Brückenschaltung 2 zugeführt wird (über einen Anschluss 21 der Brückenschaltung 2) und somit dem Elektromotor 3 zusätzlich zur Verfügung steht. So ist ein Anschluss des einen Beaufschlagungsschalters S1A über den Widerstand R1 mit einem Anschluss 52 des Superkondensators 5 verbunden, während der andere Anschluss des Beaufschlagungsschalters S1A mit dem anderen Anschluss 51 des Superkondensators 5 verbunden ist. Zudem ist ein Anschluss des anderen Beaufschlagungsschalters S1B ebenfalls mit dem Anschluss 52 des Superkondensators 5 verbunden, während sein anderer Anschluss jedoch den Anschluss 21 der Brückenschaltung 2 kontaktiert.
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Insbesondere werden die Beaufschlagungsschalter S1A und S1B bei einem Rückgang des Motorstroms (infolge der induzierten Gegenspannung) geschlossen, um dem Elektromotor 3 zusätzlich zu der Betriebsspannung der Spannungsquelle 4 die Kondensatorspannung zuzuführen. Auf diese Weise wird einem Rückgang des Motorstroms und damit der Motordrehzahl entgegengewirkt, so dass eine möglichst hohe Motordrehzahl erzeugt werden kann.
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Die Spannung des Superkondensators 5 muss nicht über die gesamte Dauer des Gurtstraffvorganges zugeführt werden, sondern die Beaufschlagung des Elektromotors mit der Kondensatorspannung kann bereits zu einem früheren Zeitpunkt durch Öffnen der Beaufschlagungsschalter S1A und/oder S1B reduziert oder ganz abgeschaltet werden. Denkbar ist auch, dass der Superkondensator 5 nicht vollständig entladen wird, wodurch sich seine Lebensdauer verlängern lässt. Zudem müssen nicht zwingend Superkondensatoren sehr hoher Kapazität verwendet werden (insbesondere nicht bei einer Reihenschaltung mehrerer Superkondensatoren), da die Spannung des Superkondensators 5 wie oben bereits erwähnt nur für einen begrenzten Zeitraum zugeschaltet werden kann, z.B. für einen Zeitraum zwischen 100 und 250 ms. Das Schalten der Beaufschlagungsschalter S1A, S1B und/oder des Ladeschalters S2 erfolgt insbesondere mit dem als Steuerschaltung fungierenden Mikrocontroller 7.
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Die Schaltungsanordnung 1 weist darüber hinaus (optional) einen Aufwärtswandler 6 (Boost-Konverter) auf, der zu einer Erhöhung der von der Spannungsquelle 4 bereitgestellten Betriebsspannung dient. Diese erhöhte Spannung kann der Brückenschaltung 2 zusätzlich zu der Betriebsspannung Ubat und der Kondensatorspannung bereitgestellt werden.
