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Die
Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Steuerung eines
Kraftfahrzeuganlassers.
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Ein
solcher Anlasser, der beispielsweise in der
FR A 2 795 884 beschrieben ist, umfasst
einen rotierenden Elektromotor, der mit einer Ausgangswelle verbunden
ist, die mit einer Einspurvorrichtung mit einer Nabe und einem beweglichen
Ritzel ausgerüstet
ist, dessen Aufgabe darin besteht, mit einem Anlasszahnkranz zusammenzuwirken,
um das Anlassen des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs herbeizuführen. Das
Ritzel ist in der Regel gleitend verschiebbar auf der Ausgangswelle
zwischen einer Ruheposition, in der es aus dem Zahnkranz ausgespurt
ist, und einer aktiven Arbeitsposition gelagert, in der es an dem
besagten Zahnkranz eingreift, der wiederum in einer starren oder
elastischen Drehverbindung mit der Kurbelwelle des Fahrzeugmotors
verbunden ist.
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In
einer Ausführungsform
fällt die
Ausgangswelle mit der Ausgangswelle des Elektromotors zusammen.
Als Variante ist ein Planetengetriebe zwischen diesen beiden Ausgangswellen
angeordnet (siehe
1 der
FR A 2 795 884 ).
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Der
Elektromotor ist mit einem Einrückrelais mit
Elektromagnet verbunden, das oberhalb des Motors angeordnet ist
und eine Spule zur Betätigung
eines beweglichen Kerns umfasst, der auf einen Leistungskontakt
einwirken kann, um diesen zu schließen und den Elektromotor mit
Strom zu versorgen. Dieses Einrückrelais
hat eine zweifache Funktion zur Stromversorgung des Elektromotors
und zur Verschiebung des beweglichen Ritzels zwischen den beiden
Ruhe- und Arbeitspositionen.
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Der
bewegliche Kern ist durch einen Hebel, etwa durch eine Gabel, mechanisch
mit der Einspurvorrichtung verbunden, die einen Freilauf umfasst, als
Variante eine Kegelkupplung, wie beispielsweise in der
FR A 2 826 696 beschrieben, die axial
zwischen dem Ritzel und der Nabe der Einspurvorrichtung eingefügt ist.
Der Hebel ist schwenkbar gelagert, und die Nabe der Einspurvorrichtung
ist innen mit Schraubennuten versehen, die sich mit entsprechenden
Zahnungen im Eingriff befinden, die an der Ausgangswelle angebracht
sind. Die Baueinheit aus Einspurvorrichtung und Ritzel wird daher
bei der Verstellung des Hebels in einer Schraubbewegung angetrieben,
um mit dem Anlasszahnkranz in Eingriff zu kommen. Die Erregung des
Einrückrelais
wird durch die Betätigung
des Zündschlüssels gesteuert,
wodurch der elektrische Stromkreis zur Batterie geschlossen wird.
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In 1 umfasst
eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung eines elektromagnetischen Einrückrelais
CT eines Anlassers, wie hinlänglich
bekannt ist, eine Regelungseinheit G, die aus einem Mikrocontroller
besteht, der mit einem elektronischen Schalter, beispielsweise mit
einem MOSFET-Transistor T1, zusammenwirkt, der mit der Spule L zur
Betätigung
des elektromagnetischen Einrückrelais
CT elektrisch in Reihe geschaltet ist. Eine Freilaufdiode D2 ist
parallel an den Klemmen der Spule L geschaltet, wobei die Kathode
mit dem Pluspol der Batterie B und die Anode mit dem Transistor
T1 verbunden ist.
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Der
Leistungskontakt C des Einrückrelais
CT verbindet, wenn er geschlossen ist, den Elektromotor M des Anlassers
mit dem Pluspol der Batterie B.
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Die
Regelungseinheit G steuert das Gate des Transistors T1 im Impulsmodus
an, zum Beispiel durch Pulsweitenmodulation PWM, um eine Veränderung
des Taktverhältnisses
der Steuerimpulse zur Regelung des Effektivstroms in der Spule L
des Einrückrelais
CT in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Parametern herbeizuführen.
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Die
Regelungseinheit G dient außerdem
dazu, andere Funktionen zu regeln, insbesondere das automatische
Abschalten des Anlassers nach dem Anlaufen, den Schutz gegen Überströme, Überhitzung
bei wiederholten Anlassversuchen und den Anlasssperrschutz bei Fehlbetätigungen.
Sie ist entweder in den Anlasser integriert oder außerhalb
des Anlassers in einen speziellen Gehäuse gelagert. Eine derartige
Vorrichtung ist in der
FR-A-2 770 349 beschrieben.
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Bei
Arbeiten an der Fahrzeugbatterie im Rahmen einer Inspektion oder
Störungsbeseitigung, beispielsweise
beim Einbau oder bei der Auswechslung der Batterie oder beim Anlassen
durch eine als Starthilfe benutzten Notbatterie, kann ein falscher Anschluss
der Batterieklemmen eine Umpolung am Anlasser zur Folge haben. In 1 verursacht
eine solche Umpolung eine Zirkulation eines ersten Gegenstroms Ic
in der Leistungsstufe des Transistors T1 durch die Spule L und eines
zweiten Gegenstroms Im im Motor M.
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Die
Nachteile eines falschen elektrischen Anschlusses (Umpolung) sind
zweifacher Art:
- – einerseits Qualitäts- und
Zuverlässigkeitsprobleme,
da der Gegenstrom Ic von mehreren Hundert Ampere in der Freilaufdiode
fließt
und deren Zerstörung
bewirkt. Die Spule L des Einrückrelais CT
wird dann unter einem Strom von 50A erregt, was das Schließen des
Leistungskontakts C und die Stromversorgung des Elektromotors M
zur Folge hat. Bei einem Elektromotor M mit Permanentmagnet-Erregung
wird die Laufrichtung umgekehrt. Bei einer Spulenerregung bleibt
die Laufrichtung normal.
- – andererseits
Sicherheitsprobleme, da bei einem Anlasser mit Spulenerregung die
Drehung des Anlassers den Antrieb des Zahnkranzes durch das Ritzel
bewirkt. Wenn ein Gang im Getriebe eingelegt bleibt, besteht dann
die Möglichkeit, dass
das Fahrzeug anfährt,
mit entsprechenden Unfall- oder
Kollisionsrisiken sowie Brandrisiken für den Anlasser, wenn die Umpolung
beibehalten wird.
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Die
Patentschriften
US 4 209 816 und
US 4 490 620 beschreiben
ein System zur elektrischen Kontrolle und zum Schutz für Kraftfahrzeuganlasser.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltung
zur Steuerung eines Einrückrelais
eines Kraftfahrzeuganlassers vorzuschlagen, die gegen die Umpolungsrisiken
geschützt ist,
die durch Fehlanschlüsse
der Batterie verursacht werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei
einem falschen Anschluss der Batterie, wobei der Pluspol irrtümlich an
die Masse angeschlossen wird, sperrt das Vorhandensein des unidirektionalen
Halbleiterelements den Durchgang des Stroms in der Leistungsstufe,
wenn der Anlassschalter geschlossen ist. Dadurch wird jede Stromumkehr unmöglich, und
die Spule wird nicht erregt. Das Einrückrelais bleibt geöffnet, wobei
es die Drehung des Elektromotors des Anlassers verhindert, so dass
das Fahrzeug auch bei eingelegtem Gang nicht anfahren kann. Jede
Brandgefahr ist ausgeschlossen.
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Vorteilhafterweise
ist ein zweiter Sicherheitstransistor in Reihe mit dem ersten Transistor
angeordnet, wobei er in zwei Schaltstufen durch ein logisches Und-Gatter
gesteuert wird, das für
den geöffneten
oder geschlossenen Zustand des Anlassschalters empfindlich ist.
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Dabei
ist zu beachten, dass es sich bei dem zweiten Transistor um einen
Sicherheitstransistor handelt, der es ermöglicht, jedes Brandrisiko des
Einrückrelais
auszuschließen,
insbesondere wenn der erste Transistor kurzgeschlossen ist.
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Das
unidirektionale Halbleiterelement zum Umpolungsschutz wird vorteilhafterweise
durch eine Diode gebildet.
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Der
erste Transistor und der zweite Transistor des Schalters werden
vorteilhafterweise durch MOSFET-Leistungstransistoren gebildet.
Diese Transistoren können
im Falle einer Umpolung der Batterie funktionieren, wobei sie sich
in diesem Falle jedoch anormal erhitzen, was eine Zerstörung des Anlassers
zur Folge haben kann. Dank der Erfindung sind diese Transistoren
im Falle einer Umpolung der Batterie geschützt.
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Der
erste Transistor wird in einer Ausführungsart im Impulsmodus durch
die Regelungseinheit gesteuert, wodurch eine effiziente Steuerung
der Stromversorgung der Spule und somit die geräuscharme Verstellung des beweglichen
Kerns des Einrückrelais
ermöglicht
wird, insbesondere die Stromversorgung der Spule des Einrückrelais
nach zwei Phasen, wie dies in der
FR
A 2 795 884 beschrieben ist, auf die zu weiteren Einzelheiten
verwiesen werden kann.
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In
einer Ausführungsart
sorgt ein TOPFET-Transistor für
die Kontrolle der Polung und ermöglicht
einen kombinierten Wärme-, Überstrom- und Überspannungsschutz.
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Dieser
Transistor wird ebenso wie der Sicherheitstransistor durch ein UND-Gatter gesteuert.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden
Beschreibung einer Ausführungsart
der Erfindung, die als Beispiel ohne einschränkende Wirkung angeführt und
in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist. Darin zeigen im Einzelnen:
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1 eine
schematische Darstellung der elektronischen Schaltung zur Steuerung
eines Anlassers nach dem Stand der Technik;
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2 die
elektronische Schaltung zur Steuerung eines Anlassers gemäß der Erfindung;
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die 3 bis 9 eine
Veranschaulichung verschiedener Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.
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In 2 umfasst
die Leistungsstufe 10 der elektronischen Schaltung zur
Steuerung der Spule L zur Betätigung
des elektromagnetischen Einrückrelais
CT einen ersten Transistor T1, der in PWM-Modulation durch die Regelungseinheit
G gesteuert wird, die hier durch einen Mikrocontroller gebildet wird,
der andere Funktionen generiert, wie dies in 1 der Fall
ist. Der Ausgang S1 der Regelungseinheit G ist durch einen ohmschen
Spannungsteiler R1–R2
an das Gate des Transistors T1 angeschlossen. Eine Freilaufdiode
D2 ist parallel an den Klemmen der Spule L und in Reihe mit dem
Transistor T1 geschaltet.
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Ein
zweiter Sicherheitstransistor T2 ist zwischen dem ersten Transistor
T1 und der Masse eingefügt
und wird in zwei Schaltstufen durch ein logisches UND-Gatter gesteuert,
das an einem ersten Eingang ein erstes Steuersignal empfängt, das
vom Ausgang S2 der Regelungseinheit G kommt, und an einem zweiten
Eingang ein zweites Signal, das für den geöffneten oder geschlossenen
Zustand des Zündschlüsselschalters
K repräsentativ
ist. Das Potenzial des Gate des Transistors T2 wird durch einen Widerstand
R3 festgelegt, der zwischen dem Ausgang des UND-Gatters und der
Masse geschaltet ist. Die Regelungseinheit G überwacht den Zustand der Transistoren.
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Die
beiden Transistoren T1 und T2 sind Leistungstransistoren und in
Reihe geschaltet. Sie bestehen beispielsweise aus N-Kanal-MOSFET-Leistungstransistoren,
die langfristig zuverlässig
sind und die Leistung des Anlassers nicht beeinträchtigen. Eine
solche Schaltungsanordnung ermög licht
eine abgesicherte Anlasssteuerung mit niedrigem Strom. Die MOSFET-Transistoren
haben die Besonderheit, dass sie eine parallel geschaltete Diode
zwischen dem Drain und der Source besitzen, wobei die besagte Diode
entgegengesetzt gepolt ist, das heißt, dass die Kathode elektrisch
mit der Plusklemme der Batterie B verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist ein
durch die allgemeine Bezugsnummer 12 bezeichnetes unidirektionales Halbleiterelement
im Stromkreis der Leistungsstufe 10 geschaltet, um den
Durchgang des Stroms zu verhindern, wenn die Polung der Batterie
B umgekehrt worden ist. Dieses Element 12 besteht vorteilhafterweise
aus einer Diode D1, die mit dem Transistor T1 in Reihe geschaltet
und zwischen der Batterie und der Freilaufdiode D2 angeschlossen
ist. Die Anode der Diode D1 steht in elektrischer Verbindung mit
der Plusklemme der Batterie, während
ihre Kathode an die Kathode der Diode D2 angeschlossen ist.
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Im
Hinblick auf eine effiziente Integration sind die beiden Dioden
D1 und D2 vorteilhafterweise in ein und demselben Doppel-Schottky-Dioden-Gehäuse mit
gemeinsamen Kathoden aufgenommen, so dass die Diode D1 den Umpolungsschutz
und die Diode D2 die Freilauffunktion für den Strom in der Spule L
des Einrückrelais
CT übernimmt.
Die Verwendung eines einzigen Bauelements, das die beiden Dioden
D1 und D2 umfasst, ermöglicht
es, eine Reduzierung des Bauraumbedarfs und der Kosten der Elektronikkarte
zu erzielen, die vorteilhafterweise im Einrückrelais die Dioden, die Transistoren
und die Regelungseinheit trägt.
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Die
Funktionsweise der Leistungsstufe 10 der elektronischen
Schaltung zur Steuerung des Anlassers ergibt sich aus der vorstehenden
Beschreibung wie folgt:
- – Im Falle einer korrekten
Polung der Batterie B, wie sie in 2 dargestellt
ist, erfolgt eine normale Anlasssteuerung im Anschluss an das Schließen des
Zündschlüsselschalters
K. Die beiden Transistoren T1 und T2 sind durchgeschaltet, wodurch
das Fließen
von Strom vom Pluspol der Batterie B zur Masse über die Diode D1, die Spule L,
den ersten Transistor T1 bzw. den zweiten Transistor T2 freigegeben
wird. Die Erregung der Spule L bewirkt das Schließen des
Leistungskontakts C des Einrückrelais
CT und die Stromversorgung des Elektromotors M des Anlassers.
- – Bei
einem falschen Anschluss der Batterie B, bei dem der Pluspol versehentlich
an die Masse angeschlossen ist (Umpolung), sperrt die Diode D1 den
Durchgang des Stroms in die Leistungsstufe 10, wenn der
Schalter K geschlossen ist. Jede Umkehrung des Stroms ist dadurch
ausgeschlossen, und die Spule L wird nicht erregt. Das Einrückrelais
CT bleibt geöffnet
und verhindert das Anlaufen des Motors M.
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Der
Einfachheit halber sind in den anderen 3 bis 9 weder
der Leistungskontakt C des elektromagnetischen Einrückrelais
CT noch der Elektromotor dargestellt worden, die in den 1 und 2 zu
erkennen sind. Der Anschluss der Klemmen des Kontakts C an der Spule
und an dem mit der Masse verbundenen Elektromotor erfolgt in der
gleichen Weise.
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Bei
der Variante von 3 ist die Diode D1, die den
Umpolungsschutz übernimmt,
zwischen der Spule L und dem ersten Transistor T1 eingefügt, hier angeschlossen.
Die Anode der Diode D1 ist dazu mit der Anode der Freilaufdiode
D2 verbunden, während die
Kathode von D1 an den Drain des Transistors T1 angeschlossen ist.
Im Vergleich zur Schaltung von 2 vereinfacht
sich die interne Verbindungstechnik des Einrückrelais, da die Pluspole der
Spule L und der Batterie B gemeinsam ausgeführt sind, wofür nur ein
einziger Anschluss an dieser Stelle auf der Elektronikkarte erforderlich
ist. Die Dioden D1 und D2 bestehen in diesem Falle aus einzelnen
Bauelementen, da kein integriertes Doppeldiodengehäuse in der Version
mit gemeinsamer Anode existiert.
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Im
Schaltbild von 4 entspricht die Leistungsstufe 10 der
von 2, wobei jedoch die Diode 1, die den Umpolungsschutz übernimmt,
zwischen dem Transistor T2 und der Masse positioniert, das heißt angeschlossen
ist.
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Die
Anode der Diode D1 ist elektrisch mit der Source des Transistors
T2 verbunden, während
die Kathode an die Masse angeschlossen ist. Die Funktionsweise ist
gleich der des Schaltbilds von 2, wobei
jedoch die Massereferenz an der Source des Transistors T2 aufgrund
der Schwellenspannung (in einer Größenordnung von 1V) der Diode
D1 veränderlich
ist.
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Bei
der anderen Variante von 5 ist die Diode D1, die den
Umpolungsschutz übernimmt,
zwischen der Batterie B und der Spule L geschaltet, wobei die Anode
D1 elektrisch mit der Kathode der Freilaufdiode D2 und mit der Plusklemme
der Batterie B verbunden ist. Der durch die Diode D1 bereitgestellte Umpolungsschutz
verhindert einzig das Fließen
von Strom in der Spule L.
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Unter
Bezugnahme auf 6 entspricht die Steuerschaltung
der Schaltungsanordnung von 4, wobei
jedoch die Diode D1 zum Umpolungsschutz durch einen Hilfstransistor
T3 in der Ausführung
als N-Kanal-MOSFET-Transistor
ersetzt wird. Das Potenzial des Gate des Transistors T3 wird durch
eine Brücke
eingestellt, die eine Zener-Diode D5, deren Anode an die Masse angeschlossen
ist, und einen Widerstand R4 umfasst, der elektrisch mit der Plusklemme
der Batterie B verbunden ist. Der Spannungsabfall im Transistor
T3 fällt
geringer aus als im Falle der Diode 1, wobei jedoch die Referenzmasse
um einen Wert in einer Größenordnung
von 0,1V bis 0,3V verschoben bleibt.
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In 7 ist
der Hilfstransistor T3 in der Ausführung als P-Kanal-MOSFET-Transistor zwischen der
Plusklemme der Batterie B und der Kathode der Freilaufdiode D2 geschaltet.
In diesem Fall ist der Transistor T2 direkt an die Masse angeschlossen, ebenso
wie das Gate des Hilfstransistors T3. Der Spannungsabfall im Transistor
T3 fällt
ebenfalls geringer aus als im Falle der Diode D1 von 2.
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In 8 besteht
der Transistor T1 aus einem IGBT-Transistor, der zwischen der Spule
L und dem Transistor T2 angeordnet ist. Dieser Transistor ist zwischen
der Anode der Diode D2 und dem Transistor T2 geschaltet. Der IGBT-Transistor
T1 besitzt keine parallel geschaltete Diode zwischen Drain und Source
und ermöglicht
daher die Sperrung des Stroms im Falle einer Umpolung. Die Diode
D1 von 2 ist nicht mehr erforderlich, aber der Spannungsabfall
im IGBT-Transistor fällt
größer aus
als in einem MOSFET-Transistor. Darüber hinaus erfordert die Steuerung
des IGBT-Transistors T1 die Einfügung
einer Verstärkerstufe 14,
um einen ausreichenden Steuerstrom zu liefern. Bei der Verstärkerstufe 14 handelt
es sich um eine an sich bekannte Bauart, beispielsweise mit zwei
Verstärkerstufen
mit Transistoren Q1 und Q2 und einer Zener-Diode Z1, deren Anode
an die Masse angeschlossen und deren Kathode mit dem Kollektor des
Transistors Q2 sowie mit dem Gate des IGBT-Transistors T1 verbunden
ist.
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In 9 besteht
der Transistor T1 aus einem TOPFET-Transistor, der zwischen der
Plusklemme der Batterie B und der an der Spule L parallel geschalteten
Freilaufdiode D2 angeschlossen ist. Dieser Transistor T1 ist zwischen
der Batterie und der Kathode der Diode D2 geschaltet. Der TOPFET-Transistor
wird einerseits in zwei Schaltstufen durch ein logisches UND-Gatter
gesteuert, das an einem ersten Eingang ein erstes Steuersignal,
das vom Ausgang S2 der Regelungseinheit G kommt, und an einem zweiten
Eingang ein zweites Signal empfängt, das
wie der Transistor T2 von 2 für den geöffneten
oder geschlossenen Zustand des Zündschlüsselschalters
K repräsentativ
ist, während
er andererseits keine zwischen dem Drain und der Source parallel geschaltete
Diode aufweist, wobei wie in der Schaltungsanordnung von 8 kein
Potenzialproblem bei einer Umpolung besteht. Die Anzahl der Bauelemente
wird verringert, und der TOPFET-Transistor ermöglicht zusätzlich zu seiner Polungskontrollfunktion
einen kombinierten Wärme-, Überstrom-
und Überspannungsschutz.
Das Potenzial des Gate dieses TOPFET-Transistors wird durch einen
Widerstand R3, der zwischen dem zweiten Eingang des UND-Gatters
und der Masse geschaltet ist, und einen Widerstand R2 festgelegt,
der zwischen diesem zweiten Eingang des UND-Gatters und dem Schalter K
angeschlossen ist. Die Widerstände
R1, R2 bilden wie in 1 einen ohmschen Spannungsteiler.
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Es
kann natürlich
auch jedes andere Mittel zum Schutz gegen Umpolung in der elektronischen Vorrichtung
zur Steuerung des Einrückrelais
CT des Anlassers verwendet werden.
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Dabei
ist zu beachten, dass die Regelungseinheit G effizient geschützt ist.
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In
den 2 bis 9 ist somit ein Sicherheits-UND-Gatter
vorgesehen, so dass der Transistor T1 nur dann durchgeschaltet ist,
wenn der Zündschlüsselschalter
geschlossen ist. Das Fahrzeug kann daher auch im Falle einer Umpolung
nicht ungewollt anfahren.
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[Text in den Figuren]
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1
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2–9
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