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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ventileinheit mit mehreren aneinander
gereihten Mehrwegeventilen, welche je mindestens ein in einem Ventilgehäuse untergebrachtes
Schaltelement zum Schalten eines Druckmittelflusses zwischen mehreren äußeren Druckmittelanschlüssen aufweisen,
wobei für eine
Betätigung
des Schaltelements mindestens ein Elektromagnet vorgesehen ist,
dessen Spulenanschlüsse über elektrische
Anschlussmittel bestrombar sind, wobei neben den Mehrwegeventilen
weiterhin eine Steuereinheit zur Umwandlung des eingangsseitig zugeführten Ansteuersignals
in individuelle Ansteuersignale für die Mehrwegeventile vorgesehen
ist.
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Eine
Betätigung
von Mehrwegeventilen mittels Elektromagneten hat sich in der Praxis
wegen der einfachen elektrischen Zuführung des Ansteuersignals über eine
Drahtleitung durchgesetzt. Mehrwegeventile können daneben auch manuell mechanisch
oder über
einen Steuerdruck mittels einer Steuerdruckleitung betätigt werden.
Bei den die vorliegende Erfindung betreffenden elektromagnetischen Mehrwegeventilen
kann die Betätigung
des Schaltelements zum Einen direkt über einen mit dem Schaltelement
mechanisch gekoppelten bewegbaren Anker erfolgen; zum Anderen kann
das Schaltelement auch über
eine allgemein bekannte fluidische Vorsteuerung betätigt werden,
wobei ein elektromagnetisches Pilotventil zur Beaufschlagung der
Vorsteuerung mit einem Steuerdruck dient. Die vorliegende Erfindung
ist bei beiden Ansteuerkonzepten eines elektromagnetischen Mehrwegeventils
anwendbar.
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Ein
gattungsgemäßes elektromagnetisches Mehrwegeventil
ist aus dem Produktkatalog „Know-how
in Pneumatics" (Rexroth
Mecman GmbH, Drucknummer 000 10 006 01, Ausgabe 1998, Seite 15.66)
bekannt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse, dessen
innenliegendes Schaltelement über
eine Vorsteuerung mittels oben am Ventilgehäuse angebrachter Pilotventile
betätigt
wird. Es sind hier mehrere elektromagnetische Mehrwegeventile zu
einer Ventileinheit aneinandergereiht. Die Druckmittelversorgung
erfolgt über
einen gemeinsamen Druckmittelverteiler, der zu diesem Zwecke von längsverlaufenden
Druckmittelkanälen
durchzogen ist. Von hieraus führen
einzelne Querkanäle
zu den Druckmittelanschlüssen
an der Montagefläche
jedes Mehrwegeventils.
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Die
elektrische Ansteuerung der Mehrwegeventile erfolgt von einer übergeordneten
Steuereinheit aus über
ein entsprechendes Signalkabel. Das Signalkabel kann sowohl eine
Busleitung darstellen (Bus-Version) als auch im Sinne des Prinzips
einer parallelen Verdrahtung einer Anzahl von Einzelleitungen umfassen,
welche der Anzahl der anzusteuernden elektrischen Spulenanschlüsse entspricht
(z.B. Version 32). Bei der Ansteuerung über eine Busleitung erfolgt
zunächst
in einer der Ventileinheit zugeordneten Busbox eine Decodierung
des seriellen Ansteuersignals in entsprechende parallele Ansteuersignale
für die
Mehrwegeventile. Die Busbox beinhaltet weiterhin elektronische Treiberstufen,
um das Ansteuersignal zu verstärken.
Die über
die elektronischen Treiberstufen verstärkten Ansteuersignale werden
mittels einer entsprechenden Verdrahtung an die elektrischen Spulenanschlüsse der
einzelnen Mehrwegeventile weitergeleitet. Somit erfolgt eine Übertragung
der Ansteuersignale entlang des gesamten Signalweges über elektrische
Leitungen. Zur Herstellung der einzelnen Leitungsabschnitte sind eine
Vielzahl von Stecker-Buchsen-Verbindungen
erforderlich. Insbesondere werden die einzelnen elektrischen Spulenanschlüsse der
Mehrwegeventile über
jeweilige Steckerverbindungen kontaktiert.
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Da
die Vielzahl von Kontaktstellen in einem von außen her relativ frei zugänglichen
Bereich liegt, in welchem bei rauhen Umgebungsbedingungen auch Nässe und
mechanische Beanspruchungen auftreten, treten in der Praxis oftmals
elektrische Kontaktprobleme auf. Nur über recht aufwendige Kapsel-
und Sicherungsmaßnahmen
zum Schutz der Stecker-Buchsen-Verbindungen
kann den Kontaktproblemen bisher entgegengewirkt werden.
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Aus
anderen technischen Gebieten sind kontaktlose Übertragungen bekannt, welche
eine primärseitige
mit einer sekundärseitigen
Verbindungseinrichtung umfassen. Aus der
DE 695 07 288 T2 ist eine Übertragungsanordnung
und eine Trägerstruktur
zu deren Anwendung bekannt. Die primärseitige Verbindungseinrichtung
umfasst eine Fluidleitungseinrichtung zum Verbinden von zwei Fluidleitungen, eine
elektromagnetische Verbindungseinrichtung einschließlich eines
elektrischen Signalübertragungsteils,
welches auf der inneren Seite angeordnet ist, sowie ein elektrisches
Energieversorgungsteil, welches auf der äußeren Seite koaxial zu dem
elektrischen Signalübertragungsteil
zum Übertragen
von elektrischen Signalen und elektrischer Energie jeweils auf eine
kontaktlose Weise zu einer sekundärseitigen Verbindungseinrichtung
mittels elektromagnetischer Hochfrequenzinduktion gesehen ist, und umfasst
weiterhin einen Hochfrequenzinverter zur Erzeugung von auf die Sekundärseite zu übertragender
elektrischer Energie. Weiterhin umfasst die Übertragungsanordnung eine sekundärseitige
Verbindungseinrichtung, welche eine Fluidleitungseinrichtung zur
Verbindung von zwei Fluidleitungen, eine elektromagnetische Verbindungseinrichtung
einschließlich
eines elektrischen Signalempfangsteils auf der Innenseite und ein
elektrisches Energieempfangsteil aufweist, welches auf der äußeren Seite
koaxial zu dem elektrischen Signalempfangsteil zum Empfangen von
elektrischen Signalen und elektrischer Energie auf kontaktlose Weise
von der primärseitigen
Verbindungseinrichtung angeordnet ist und ein Umwandlungsteil zum
Umwandeln der von der Primärseite
zu der Sekundärseite übertragenen
elektrischen Signale und elektrischen Energie in elektrische Signale
und elektrische Energie für
einen auf der Sekundärseite
zu betreibenden Verbraucher umfasst. Diese Speziallösung lässt sich
jedoch nur bei einer Bearbeitungspalette für eine Werkzeugmaschine oder
eine ähnliche
Maschine oder von peripheren Einrichtungen an einer Bearbeitungspalette
einsetzen.
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Aus
der
EP 0 533 247 A1 ist
eine System bekannt, welches zum Aufladen einer wiederaufladbaren
Batterie einer tragbaren Einheit in einem Gestell geeignet ist.
Das System umfasst dabei einen Ermittlungskreis, der die Anwesenheit
der Einheit in einem Gestell ermittelt sowie Übertragungsmittel, welche mit
einem Versorgungskreis des Gestells und mit einem Ladekreis der
Einheit und der Batterie verbunden sind und die nach dem Einsetzen
der Einheit in das Gestell die Batterie mittels des Ladekreises
mit Energie aus dem Versorgungskreis aufladen. Weiterhin umfasst
das System einen Übertragungskreis
der Einheit, wobei der Übertragungskreis
nach dem Einsetzen der Einheit in das Gestell eine Nachricht auf einem
drahtlosen Weg an einen Steuerkreis des Gestells übermittelt.
Dieses System ist jedoch nur zur kontaktlosen Aufladung einer Batterie
geeignet, sodass insbesondere die Übertragung von elektrischen Signalen
nicht möglich
ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die elektronische Ansteuerung
eines elektromagnetischen Mehrwegeventils der vorstehend beschriebenen
Art dahingehend weiterzuverbessern, dass eine zuverlässige elektrische
Anbindung der Mehrwegeventile, insbesondere im Rahmen einer Ventileinheit,
sichergestellt wird.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem elektromagnetischen Mehrwegeventil
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Hinsichtlich einer Ventileinheit wird die Aufgabe durch den Anspruch
10 gelöst.
Die jeweils nachfolgenden abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die elektrischen Anschlussmittel
jedes Mehrwegeventils nach Art einer transformatorischen Energieübertragung
ausgebildet sind, wobei jeder Elektromagnet an mindestens einem
im zugeordneten Ventilgehäuse
untergebrachten Sekundärteil
einer Transformatoranordnung angeschlossen ist, wobei die Transformatoranordnung
weiterhin ein in den Magnetkreis eingegliedertes Übertragungsteil
aufweist, das außerhalb
des Ventilgehäuses
zwischen einem in der Steuereinheit integrierten Primärteil und dem
Sekundärteil
angeordnet ist, um das vom Primärteil
erzeugte magnetische Wechselfeld auf das örtlich entfernte Sekundärteil zu übertragen,
wobei das Ansteuersignal für
den Elektromagneten jedes Mehrwegeventils durch eine Modulation
auf das Betriebswechselspannungssignal aufgeprägt ist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass im sensiblen Kontaktbereich der elektrischen
Spulenanschlüsse
eine völlig
kontaktlose Leistungsübertragung
erfolgt. Sowohl die Versorgungsspannung als auch die Ansteuersignale
lassen sich durch das hier eingesetzte Transformatorprinzip zum
Mehrwegeventil hin über
einen Luftspalt und/oder durch das dünnwandige Ventilgehäuse hindurch übertragen.
Das Mehrwegeventil ist daher fast vollständig abgekapselt; allein Öffnungen zur
Druckmittelver- und
-entsorgung sind vorzusehen. Somit kann ein Mehrwegeventil mit einem
elektrisch vollständig
abgeschlossenen Ventilgehäuse angeboten
werden. Das erfindungsgemäße elektromagnetische
Mehrwegeventil ist ohne eine elektrische Steckerverbindung darüber hinaus
auch einfacher montierbar oder austauschbar.
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Das
Ansteuersignals für
den Elektromagneten ist vorzugsweise durch Frequenzmodulation auf das
Betriebswechselspannungssignal aufgeprägt. Es ist daher eine entsprechende
Modulationseinheit seitens des Primärteils der Transformatoranordnung und
eine korrespondierende Demodulationseinheit seitens des Sekundärteils der Transformatoranordnung
vorzusehen. Vorzugsweise weist das Betriebswechselspannungssignal
als Grundsignal eine Frequenz von 1 bis 10 kHz auf. Angestrebt werden
sollte generell eine möglichst
hohe Frequenz, um die elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente
möglichst kleinbauend
ausführen
zu können.
Es kommen dementsprechend zur Ventilbetätigung vorzugsweise auch Elektromagneten
mit möglichst
geringer Leistungsaufnahme zum Einsatz.
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Gemäß einer
weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme umfasst die Transformatoranordnung
ein in den Magnetkreis eingegliedertes Übertragungsteil, das zwischen
dem Primärteil
und dem Sekundärteil
außerhalb
des Ventilgehäuses
angeordnet ist, um das vom Primärteil
erzeugte magnetische Feld auf ein örtlich entferntes Sekundärteil übertragen
zu können.
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Zur
Pufferung der Betriebsspannung innerhalb des abgekapselten Mehrwegeventils
kann ein ebenfalls vom Ventilgehäuse
umschlossenes elektrisches Akkumulatorelement zwischen dem mindestens
einen Sekundärteil
der Transformatoranordnung und den Spulenanschlüssen des Elektromagneten vorgesehen
werden. Die erfindungsgemäße Lösung funktioniert
aber auch ohne ein solches Akkumulatorelement.
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Das
Ventilgehäuse
kann mehrteilig aufgebaut sein, um eine Montage und Demontage der
hierin untergebrachten elektrischen und mechanischen Bauteile durch
eine entsprechend funktionsmäßig sinnvolle
Gehäuseteilung
zu gewährleisten.
Von besonderem Vorteil ist es jedoch, wenn das Ventilgehäuse einteilig
ausgeführt
wird, um ein insgesamt austauschbares Ventil als Gesamtbaueinheit
zu schaffen. Die erfindungsgemäße kontaktlose
Leistungsübertragung
begünstigt
dabei die einteilige Bauform des Ventilgehäuses. Ein solches einteiliges Ventilgehäuse kann
beispielsweise im Spritzgussverfahren aus Kunststoff hergestellt
werden, wobei die elektrischen bzw. elektronischen Bauteile direkt
mit eingegossen werden können.
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Das
vorstehend vorgestellte erfindungsgemäße Mehrwegeventil kommt vorzugsweise
im Rahmen einer Ventileinheit mit mehreren gleichartigen, aneinandergereihten
Mehrwegeventilen zum Einsatz, wobei neben den Mehrwegeventilen auch
eine Steuereinheit zur Umwandlung eines eingangsseitig zugeführten Ansteuersignals
sowie der Betriebsspannung zu dem modulierten Betriebswechselspannungssignal
vorzusehen ist. Somit ersetzt die erfindungsgemäße kontaktlose Signalübertragung
die bisher übliche
interne Verdrahtung einer Ventileinheit.
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Hierbei
kann in vorteilhafter Weise ein Übertragungsteil
der Transformatoranordnung gleichzeitig auch als Montageschiene
zur aneinandergereihten Anbringung der einzelnen Ventilgehäuse verwendet werden.
Daneben ist es auch denkbar, das Übertragungsteil auf einem Druckmittelverteiler
für die
Mehrwegeventile anzuordnen. Vorzugsweise besteht das Übertragungsteil
der Transformatoranordnung aus zwei im wesentlichen parallelverlaufende
eisenmetallische Stabelemente, die mit den magnetischen Polen des
Primärteils
sowie des Sekundärteils
unter Bildung eines Magnetkreises korrespondieren.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der
Erfindung anhand der Figuren näher
dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
schematische Explosionsdarstellung einer Ventileinheit mit mehreren
elektromagnetischen Mehrwegeventilen und einer Steuereinheit, bei der
eine kontaktlose Betriebsspannungs- und Ansteuersignalübertragung
erfolgt, und
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2 ein
Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Signalweges zu einem exemplarischen Mehrwegeventil.
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Die
pneumatische Ventileinheit gemäß 1 besteht
aus mehreren einzelnen, aneinandergereihten elektromagnetischen
Mehrwegeventilen 1, von denen hier lediglich eines dargestellt
ist. Das Mehrwegeventil 1 weist einen Elektromagneten 2 auf,
der bei Bestromung das Schaltelement 3 zur Ventilbetätigung axial
verstellt. Hierdurch erfolgt in herkömmlicher Weise ein Schalten
eines Druckmittelflusses zwischen mehreren äußeren Druckmittelanschlüssen 4.
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Die
Ansteuersignale für
die einzelnen Mehrwegeventile 1 gelangen von einer neben
den aneinandergereihten Mehrwegeventilen 1 angeordneten Steuereinheit 5 aus über ein Übertragungsteil 6 zu den
einzelnen Mehrwegeventilen 1, wobei das Prinzip einer transformatorischen
Signalübertragung
angewendet wird. (Die gestrichelten Pfeillinien deuten auf die Lage
im montierten Zustand hin.) Somit gelangen die Betriebsspannungs-
und Ansteuersignale kontaktlos zum Mehrwegeventil 1.
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Ein
Primärteil 7 der
Transformatoranordnung ist in der Steuereinheit 5 der Ventileinheit
integriert, die einen äußeren elektrischen
Anschluss 8 zum Anschluss einer – hier nicht weiter dargestellten – übergeordneten
Steuereinheit aufweist. Als Eingangssignale werden der Steuereinheit 5 über den
Anschluss 8 von der übergeordneten
Steuereinheit aus die Betriebsspannung sowie die Ansteuersignale
für die Mehrwegeventile 1 in
Form von Datenbussignalen zugeführt.
Eine Elektronikeinheit 9 führt eine Decodierung der Bussignale,
eine entsprechende Umwandlung in Ansteuersignale für die einzelnen
Mehrwegeventile 1 und eine Modulation auf das Betriebswechselspannungssignal
aus.
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Das
modulierte Betriebswechselspannungssignal wird über das Primärteil 7 der
Transformatoranordnung in ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld
umgewandelt, welches über
das eisenmetallische Übertragungsteil 6 weitergeleitet
wird. Das Übertragungsteil 6 der
Transformatoranordnung besteht hier aus zwei im wesentliche parallel
zueinander verlaufenden eisenmetallischen Stabelementen 10a und 10b,
die unter Bildung eines Magnetkreises gemeinsam mit den beiden magnetischen
Polen des Primärteils 7 einerseits
sowie den beiden magnetischen Polen eines dem Mehrwegeventil 1 zugeordneten
Sekundärteils 11 andererseits
korrespondieren. Das Übertragungsteil 6 der
Transformatoranordnung dient gleichzeitig auch als Montageschiene
zur aneinandergereihten Anbringung der einzelnen Mehrwegeventile 1 sowie
der Steuereinheit 5.
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Das
Sekundärteil 11 der
Transformatoranordnung ist direkt benachbart zum Übertragungsteil 6 innerhalb
eines Ventilgehäuses 12 des
Mehrwegeventils 1 untergebracht. Die Betriebsspannung sowie die
elektrischen Ansteuersignale werden nach dem Transformatorprinzip
mittels des Sekundärteils 11 aus
dem vom Primärteil 7 erzeugten
magnetischen Wechselfeld rückgewonnen.
Dem Sekundärteil 11 ist eine
ebenfalls vom Ventilgehäuse 12 umschlossene Elektronikeinheit 13 zum
entsprechenden Demodulieren sowie zur Gewinnung der Betriebsspannung zum
Schalten des Elektromagneten 2 nachgeschaltet. Ausgangsseitig
der Elektronikeinheit 13 sind die Spulenanschlüsse des
Elektromagneten 2 angeschlossen.
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Gemäß 2 wird
entsprechend des Signalflusses die Betriebsspannung Ub sowie das
Ansteuersignal S der Elektronikeinheit 9 eingangsseitig
zugeführt.
Zur Elektronikeinheit 9 gehören im wesentlichen eine Steuereinheit 14 zur
Umwandlung der Betriebsspannung Ub in ein Betriebswechselspannungssignal
von 10 kHz, die einem nachgeschalteten Modulator 15 zugeführt wird,
um das Ansteuersignal S als Bussignal hierauf zu modulieren, wobei
das Verfahren einer Frequenzmodulation angewendet wird. Das modulierte
Betriebswechselspannungssignal wird dem Primärteil 7 der Transformatoranordnung
zugeführt.
Das Primärteil 7 wandelt
das modulierte elektrische Betriebswechselspannungssignal in ein
entsprechendes magnetisches Wechselfeld um. Das magnetische Wechselfeld
wird dann über
das Übertragungsteil 6 an
das Sekundärteil 11 der
Transformatoranordnung weitergeleitet. Das Sekundärteil 11 gewinnt
aus dem magnetischen Wechselfeld das modulierte elektrische Betriebswechselspannungssignal
zurück.
Dieses wird anschließend
in einem Demodulator 16 der Elektronikeinheit 13 demoduliert und
in einer nachgeschalteten Steuereinheit 17 hinsichtlich
eines gültigen
Ansteuersignals ausgewertet, welches den Spulenanschlüssen des
Elektromagneten 2 zum Schalten des Druckmittelflusses zugeleitet wird.
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Aus
dem modulierten elektrischen Betriebswechselspannungssignal wird über den
Gleichrichter 18 gleichzeitig auch die Betriebsspannung
zum Betrieb der Elektronikeinheit 13 sowie des Elektromagneten 2 gewonnen.
Ein Akkumulatorelement 19 dient einer zusätzlichen
Pufferung der Betriebspannung.
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Das
Sekundärteil 11 samt
der zugeordneten vorstehend beschriebenen elektronischen Komponenten
ist innerhalb des Ventilgehäuses 12 angeordnet,
so dass die elektrische Ansteuerung des Mehrwegeventils 1 vollständig kontaktlos
durch das geschlossene Ventilgehäuse 12 hindurch
erfolgt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene
bevorzugte Ausführungsbeispiel
einer Ventileinheit. Die erfindungsgemäße kontaktlose Übertragung
der Ansteuersignale ist auch bei einzelnen Mehrwegeventilen unterschiedlichster
Bauart prinzipiell anwendbar.
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- 1
- Mehrwegeventil
- 2
- Elektromagnet
- 3
- Schaltelement
- 4
- Druckmittelanschluss
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Übertragungsteil
- 7
- Primärteil
- 8
- elektrischer
Anschluss
- 9
- Elektronikeinheit
- 10
- Stabelement
- 11
- Sekundärteil
- 12
- Ventilgehäuse
- 13
- Elektronikeinheit
- 14
- Steuereinheit
- 15
- Modulator
- 16
- Demodulator
- 17
- Steuereinheit
- 18
- Gleichrichter
- 19
- Akkumulatorelement