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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Komponente eines Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
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Zur Verstärkung elektrischer Signale im Automobilbereich werden häufig Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), Bipolartransistoren oder Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektroden (IGBT) eingesetzt. Als Eingangssignale werden typischerweise Rechtecksignale eingesetzt, die etwa von einem Steuerungsgerät oder einer Vorstufe bereitgestellt werden. Solche Signale sind leicht zu erzeugen und anzupassen.
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Ferner kann zur Verstärkung von Signalen auf Spannungswandler zurückgegriffen werden, etwa DC-AC-Wandler, bei denen eine Wandlung der Signale mittels Induktivitäten und Transformatoren erfolgt.
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In der
DE 10 2016 214 292 A1 wird eine Ansteuerung für eine „intelligente Glasscheibe“ beschrieben. Dabei wird ein Cycloinverter verwendet, um die Ausgangsspannung bereitzustellen.
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Bei den bekannten Verfahren treten in vielen Fällen Probleme hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) auf. Durch steile Signalflanken werden breitbandige Störungen hervorgerufen. Dies ist unter anderem durch das schnelle Schalten von MOSFETs bedingt, was insbesondere zum Übertragen großer elektrischer Leistungen notwendig sein kann.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Komponente bereitzustellen, die eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit ermöglicht. Insbesondere sollen elektromagnetische Störungen in den Bereichen der Lang- und Mittelwelle sowie im UKW Bereich zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Komponente eines Fahrzeugs umfasst einen Steuereingang zum Empfangen eines Eingangssignals und einen Signalausgang zum Ansteuern der elektrischen Komponente mittels eines Ausgangssignals. Sie umfasst ferner ein Digital-Analog-Konverter-Element zum Erzeugen eines Primärsignals in Abhängigkeit von dem empfangenen Eingangssignal sowie ein Verstärker-Element zum Erzeugen des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem Primärsignal. Dabei weist das Ausgangssignal eine Wechselspannung mit einer Frequenz und/oder einer Amplitude auf. Dabei ist zudem die elektrische Komponente in Abhängigkeit von der Wechselspannung des Ausgangssignals ansteuerbar.
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Es ist eine grundlegende Idee der Erfindung, die elektromagnetische Verträglichkeit der Ansteuerung einer elektrischen Komponente dadurch zu verbessern, dass ein besonders schnelles Schalten zwischen Spannungswerten des Ausgangssignals vermieden oder gezielt eingestellt wird. Dies erfolgt mittels eines Signalgenerators und einer Wandelung von einem digitalen in ein analoges Signal, wobei sowohl das zunächst bereitgestellte Signal, als auch die Verstärkung durch geeignete Wahl und/oder Einstellung der weiteren Elemente sehr genau bestimmt werden kann.
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Dadurch können vorteilhafterweise Parameter eines Spannungsübergangs angepasst werden. Insbesondere wird dadurch ein schmalbandiges Signal erhalten. Die elektromagnetische Verträglichkeit kann demnach vorteilhafterweise für den jeweiligen Einsatzbereich passend gewählt werden.
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Die Vorrichtung kann ferner besonders kostengünstig bereitgestellt werden, da verbreitete und günstig erhältliche Komponenten verwendet werden.
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Die Vorrichtung kann zudem bei relativ niedrigen Spannungen betrieben werden, wobei insbesondere eine Gesundheitsgefährdung von Menschen ausgeschlossen werden kann. Aufwendige und teure Schutzmaßnahmen können daher reduziert werden.
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Das Digital-Analog-Konverter-Element ist insbesondere an den Steuereingang angeschlossen und kann auf an sich bekannte Weise ausgebildet sein. Es ist insbesondere dazu eingerichtet, anhand eines empfangenen digitalen Eingangssignals ein analoges Primärsignal zu erzeugen.
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Das Verstärker-Element ist insbesondere dem Signalausgang vorgelagert beziehungsweise zwischen das Digital-Analog-Konverter-Element und den Signalausgang geschaltet. Es kann ebenfalls auf an sich bekannte Weise ausgebildet sein. Es ist dazu eingerichtet, anhand des von dem Digital-Analog-Konverter ausgegebenen, analogen Primärsignals das Ausgangssignal zu erzeugen.
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Bei einer Ausbildung der Vorrichtung ist das Eingangssignal als digitales Signal und das Primärsignal als analoges Signal ausgebildet. Dadurch kann vorteilhafterweise das Ausgangssignal besonders einfach durch ein digitales Steuergerät gebildet werden. Ferner kann das analoge Primärsignal vorteilhafterweise direkt zur Verstärkung und Ansteuerung der elektrischen Komponente genutzt werden.
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Bei einer weiteren Ausbildung umfasst das Verstärker-Element ein Vorstufenelement zum Verstärken einer Amplitude und ein Endstufenelement zum Verstärken einer elektrischen Leistung. Dadurch kann vorteilhafterweise mit verfügbaren Mitteln das Ausgangssignal sehr genau erzeugt werden. Als Vorstufen-Element kann beispielsweise ein Operationsverstärker (OP-Verstärker) verwendet werden.
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Bei einer Weiterbildung ist die elektrische Komponente anhand des Ausgangssignals einstellbar und/oder verstellbar. Dadurch kann die Vorrichtung vorteilhafterweise genutzt werden, um verschiedene Einstellungsaufgaben zu erfüllen.
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Bei einer Ausbildung umfasst die elektrische Komponente eine intelligente Glasscheibe, einen LED-Scheinwerfer oder einen Elektromotor.
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Als „intelligente Glasscheibe“ („Smart Glass“) kann in diesem Sinne etwa eine Verglasung bezeichnet werden, deren Tönung und/oder Lichtdurchlässigkeit mittels einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms veränderbar ist. In diesem Zusammenhang sind beispielsweise SPD-Glas (Suspended Particle Device) PDLC-Glas (Polymer-Dispersed Liquid-Crystal Device) an sich bekannt.
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Beim Ansteuern eines Elektromotors kann bei einer Ausbildung eine Energieversorgung direkt über das Ausgangssignal erfolgen. Das Ausgangssignal kann in verschiedener Weise so angepasst werden, insbesondere mittels eines geeigneten Eingangssignals, dass gewünschte Betriebsparameter des Elektromotors erreicht werden. Beispielsweise kann eine bestimmte Drehzahl und/oder Leistung des Elektromotors erreicht werden, indem das Ausgangssignal in geeigneter Weise eingestellt wird. Die Vorrichtung kann hier vorteilhafterweise den Motor sehr gezielt ansteuern, etwa bei einer Nutzung in verschiedenen Kontexten und bei unterschiedlichen Bedürfnissen. Der Betrieb des Elektromotors kann auch an die aktuellen Anforderungen an die Leistung des Motors und die erwünschte elektromagnetische Verträglichkeit angepasst werden.
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Bei einer weiteren Ausbildung umfasst das Ausgangssignal eine Wechselspannung, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 1 MHz, beispielsweise zwischen 100 kHz und 600 kHz. Die Vorrichtung kann dadurch vorteilhafterweise in einem Frequenzbereich betrieben werden, der für die Ansteuerung verschiedener elektrischer Komponenten eines Fahrzeugs von hoher Relevanz ist. Bei einer weiteren Ausbildung können andere Frequenzen erreicht werden.
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Bei einer Weiterbildung weist das Ausgangssignal im Wesentlichen eine Rechteckform, eine Sägezahnform, eine Dreiecksform oder eine Sinusform auf. Das Ausgangssignal kann ferner Mischformen aufweisen, etwa eine Überlagerung verschiedener Signalformen. Insbesondere bei Dreiecks- und Sinusformen werden vorteilhafterweise die üblicherweise verwendeten steilen Flanken bei Schaltvorgängen vermieden, wie sie etwa bei Rechtecksignalen auftreten. Während steile zeitliche Gradienten von Spannung beziehungsweise Strom zu breitbandigen EMV-relevanten Störungen führen können, werden diese bei flacheren Flanken vermieden beziehungsweise verringert.
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Insbesondere wird die Signalform des analogen Primärsignals beziehungsweise des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem digitalen Eingangssignal gebildet. Mittels des Eingangssignals ist daher auch die Signalform auswählbar oder einstellbar.
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Bei einer Ausbildung ist eine Signalform, insbesondere eine Steilheit der Flanken, des Ausgangssignals in Abhängigkeit von einem Anforderungssignal auswählbar oder einstellbar. Die Vorrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das Anforderungssignal zu empfangen und in Abhängigkeit davon die Signalform des Primärsignals und/oder des Ausgangssignals anzupassen.
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Zum Beispiel kann dadurch je nach den aktuellen Anforderungen eine geeignete Signalform erhalten werden. Beispielsweise kann bei der Ansteuerung eines Motors ein schnelles Schalten mit entsprechend steilen Flanken des Spannungsverlaufs notwendig sein, um höhere Leistungen zu erreichen. Bei flacheren Flanken kann dagegen eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit erreicht werden. In einer Situation, die das kurzfristige Abrufen einer höheren Leistung erfordert, kann daher je nach dem jeweiligen Kontext eine schlechtere EMV in Kauf genommen werden.
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Das System der Erfindung umfasst eine intelligente Glasscheibe beziehungsweise eine elektrisch schaltbare Glasscheibe, und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Beschreibung zum Ansteuern der Glasscheibe.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Komponente eines Fahrzeugs wird ein digitales Eingangssignal empfangen und in Abhängigkeit von dem empfangenen Eingangssignal wird ein analoges Primärsignal erzeugt. In Abhängigkeit von dem Primärsignal mittels eines Verstärker-Elements wird ein Ausgangssignal erzeugt, wobei mittels des Ausgangssignals die elektrische Komponente angesteuert wird und das Ausgangssignal eine Wechselspannung mit einer Frequenz und/oder einer Amplitude aufweist.
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Das Verfahren ist dazu ausgebildet, die Vorrichtung zu betreiben. Es weist daher dieselben Vorteile auf wie die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung in einem Fahrzeug;
- 2 ein Diagramm mit einem Ansteuerungssignal;
- 3 eine Detailansicht der Vorrichtung; und
- 4 bis 6 Diagramme beispielhafter Primär- und Ausgangssignale.
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Mit Bezug zu 1 wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung in einem Fahrzeug erläutert.
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Das Fahrzeug 24 umfasst eine elektrische Komponente 12, bei dem Ausführungsbeispiel eine intelligente Glasscheibe 12.
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Die intelligente Glasscheibe 12 ist auf an sich bekannte Weise so ausgebildet, dass Ihre Lichtdurchlässigkeit und/oder Tönung in Abhängigkeit von einer anliegenden Spannung eingestellt werden kann.
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Das Fahrzeug 24 weist ferner eine Steuereinheit 14 auf, die über eine Vorrichtung 10 zum Ansteuern der elektrischen Komponente 12 mit dieser gekoppelt ist.
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Die Vorrichtung 10 weist ein Digital-Analog-Konverter-Element 16 auf, das mit einem Steuereingang 10a der Vorrichtung 10 gekoppelt ist.
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Mit dem Digital-Analog-Konverter-Element 16 ist ein Verstärker-Element 22 gekoppelt, welches wiederum ein Vorstufenelement 18 und ein Endstufenelement 20 umfasst.
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Das Verstärker-Element 22 ist ferner über einen Signalausgang 10b der Vorrichtung 10 mit der elektrischen Komponente 12 gekoppelt.
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Die Steuereinheit 14 ist dazu eingerichtet, ein digitales Steuersignal zu erzeugen und an die Vorrichtung 10 zu übertragen. Das digitale Steuersignal kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Nutzereingabe erzeugt werden, der etwa eine Einstellung für einen bestimmten Parameter der elektrischen Komponente 12 vornimmt.
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Das Steuersignal wird von dem Digital-Analog-Konverter-Element 16 empfangen. Anhand des digitalen Steuersignals wird ein analoges Primärsignal erzeugt.
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Das analoge Primärsignal wird anschließend von dem Verstärker-Element 22 verstärkt.
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Dabei ist das von dem Verstärker-Element 22 umfasste Vorstufenelement 18 dazu eingerichtet, die Amplitude des Primärsignals zu verstärken. Das Endstufenelement 20 verstärkt dann die Leistung des Signals, das schließlich als Ausgangssignal über den Signalausgang 10b an die elektrische Komponente 12 übertragen wird.
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Das Ausgangssignal weist hier eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude sowie einer bestimmten Signalform auf. Das Einstellen der elektrischen Komponente 12 erfolgt in Abhängigkeit von diesen Parametern des Ausgangssignals.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen können andere elektrische Komponenten 12 des Fahrzeugs 10 vorgesehen sein, die mittels des analogen Ausgangssignals ansteuerbar sind. Beispielsweise die elektrische Komponente 12 einen LED-Scheinwerfer, einen Elektromotor oder eine andere Einrichtung des Kraftfahrzeugs 24 umfassen, die mittels eines durch die Vorrichtung 10 erzeugbaren Ausgangssignals ansteuerbar ist.
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2 zeigt ein Beispiel eines Ansteuerungssignals 30, wie es in vielen Fällen verwendet werden kann. Das Diagramm zeigt den Verlauf einer Spannung in Abhängigkeit von der Zeit.
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Es handelt sich bei der Signalform im Wesentlichen um eine Rechteckspannung. Dabei wird schnell zwischen einer unteren Spannung und einer oberen Spannung umgeschaltet. Während des Umschaltens verläuft die Spannung entlang steiler steigender 32 beziehungsweise fallender Flanken 34.
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Mit Bezug zu 3 wird eine schematische Detailansicht der Vorrichtung 10 erläutert.
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In dem Schaltplan sind die Abschnitte angedeutet, in denen das Digital-Analog-Konverter-Element 16, das Vorstufenelement 18 und das Endstufenelement 20 ausgebildet sind.
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Das Digital-Analog-Konverter-Element 16 ist auf an sich bekannte Weise ausgebildet.
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Das Vorstufenelement 18 umfasst bei dem Ausführungsbeispiel einen auf an sich bekannte Weise ausgebildeten Operationsverstärker (OP-Verstärker).
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Das Endstufenelement 20 ist wieder ebenfalls auf an sich bekannte Weise ausgebildet.
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Es können also vorteilhafterweise an sich bekannte Elemente aus der Elektronik und Schaltungstechnik verwendet werden. Diese Elemente erlauben in der Kombination der Erfindung das Erzeugen eines frei konfigurierbaren Signals, insbesondere mit einer einfach vorgebbaren Signalform. Hierdurch wird beispielsweise ein optimales EMV-Verhalten erzielt.
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Insbesondere werden hier diskrete Bauteile verwendet, die eine besonders kosteneffiziente Ausführung der Vorrichtung 10 erlauben.
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Andere Konfigurationen des Verstärker-Elements 22 und seiner Teile 18, 20 können ebenfalls vorgesehen sein.
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Mit Bezug zu den 4 bis 6 werden Beispiele von Primär- und Ausgangssignalen erläutert, wie sie bei der Vorrichtung 10 auftreten können.
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Bei dem in 4 gezeigten Fall wird eine Rechteckspannung mit direkten Übergängen zwischen einem unteren Spannungsniveau und einem oberen Spannungsniveau als Ausgangssignal erzeugt. In dem Diagramm sind die Verläufe des Primärsignals 42 und des verstärkten Ausgangssignals 44 zueinander in vertikale Richtung versetzt gezeigt. Bei der Verstärkung der Amplitude des vom Digital-Analog-Konverter-Element 16 erzeugten Primärsignals 42 erfolgt zudem eine Invertierung des Signals.
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Bei dem in 5 gezeigten Fall wurde die Signalform des in 4 gezeigten Falls so angepasst, dass nunmehr eine Dreickspannung vorliegt. Dabei wird die Spannung linear zwischen einem unteren Spannungsniveau und einem oberen Spannungsniveau als Ausgangssignal verändert. In dem Diagramm sind die Verläufe des Primärsignals 52 und des verstärkten Ausgangssignals 54 zueinander in vertikale Richtung versetzt gezeigt. Bei der Verstärkung der Amplitude des vom Digital-Analog-Konverter-Element 16 erzeugten Primärsignals 52 erfolgt zudem eine Invertierung des Signals.
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Bei dem in 6 gezeigten Fall schließlich entspricht die Signalform einer Sinuswelle. Das heißt, die Spannung wird zwischen einem unteren Spannungsniveau und einem oberen Spannungsniveau entlang eines Sinus beziehungsweise Cosinus verändert. In dem Diagramm sind die Verläufe des Primärsignals 62 und des verstärkten Ausgangssignals 64 zueinander in vertikale Richtung versetzt gezeigt. Bei der Verstärkung der Amplitude des vom Digital-Analog-Konverter-Element 16 erzeugten Primärsignals 62 erfolgt zudem eine Invertierung des Signals.
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Weitere Signalformen sind selbstverständlich ebenso denkbar und können mittels des Digital-Analog-Konverter-Elements 16 in ein analoges Primärsignal konvertiert werden.
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Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung 10 besteht gerade darin, dass praktisch beliebige Signalformen durch die Steuereinheit 14 zusammen mit dem Digital-Analog-Konverter-Element 16 eingestellt werden können. Zudem können die Schritte der Verstärkung des Primärsignals, um das Ausgangssignal zu erhalten, flexibel gestaltet werden. Insbesondere kann die Verstärkung der Spannung und/oder des Stroms durch das Vorstufenelement 18 und/oder das Endstufenelement 20 besonders flexibel gewählt werden. Die Einstellung der Signalform bietet einen guten Zugriff auf Merkmale der elektromagnetischen Verträglichkeit, sodass insbesondere Störungen in bestimmten vorgegebenen Frequenzbereichen vermieden werden können und/oder Störungen nur fallweise zugelassen werden können, um andererseits beispielsweise eine größere Leistung ausgeben zu können.
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Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 10 dazu eingerichtet, ein Ausgangssignal mit einer Frequenz von zwischen etwa 35 kHz bis 80 kHz auszugeben.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen können andere Frequenzen oder Frequenzbereiche für das Ausgangssignal vorgesehen sein, etwa in einem Bereich ab etwa 1 Hz bis in den kHz-Bereich, das heißt in einem Mittelwellen- oder Langwellenbereich. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können etwa Frequenzen zwischen 100 und 600 kHz vorgesehen sein.
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Die bei diesem Beispiel erreichten Spannungen reichen bis zu 32 V Peak-Spannung entsprechend bis zu 64 V Peak-to-Peak-Spannung. Insbesondere wird die Vorrichtung 10 im Kleinspannungs-Bereich betrieben, um gesundheitliche Gefährdungen zu minimieren.
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Im Unterschied zu anderen Vorrichtungen, bei denen höhere Spannungen erreicht werden, können die Elemente der Vorrichtung 10, insbesondere das Digital-Analog-Konverter-Element 16 und das Verstärker-Element 22, einfacher ausgeführt werden. Es können preisgünstigere Elemente verwendet werden, sodass auch die Vorrichtung 10 selbst effizienter hergestellt werden kann. Insbesondere ist ein solcher Kostenvorteil bei diskreten Schaltungsteilen gegenüber integrierten Bauteilen (Integrated Circuit, IC) und/oder Transformatoren deutlich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 10a
- Steuereingang
- 10b
- Signalausgang
- 12
- Elektrische Komponente; intelligente Glasscheibe
- 14
- Steuereinheit
- 16
- Digital-Analog-Konverter-Element
- 18
- Vorstufenelement
- 20
- Endstufenelement
- 22
- Verstärker-Element
- 24
- Fahrzeug
- 30
- Ansteuerungssignal
- 32
- Steigende Flanke
- 34
- Fallende Flanke
- 42
- Primärsignal
- 44
- Ausgangssignal (verstärkt)
- 52
- Primärsignal
- 54
- Ausgangssignal (verstärkt)
- 62
- Primärsignal
- 64
- Ausgangssignal (verstärkt)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016214292 A1 [0004]
