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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Steuerschaltungen für
die Regelung von Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge.
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In 1 sind
Zeichnungen einer Schaltung zur Erfassung des Schließens eines
Zündschlüssels eines
Kraftfahrzeugs dargestellt, deren Aufgabe darin besteht, die mit
dem Wechselstromgenerator verbundene Reglerschaltung zum Laden der
Fahrzeugbatterie wahlweise zu aktivieren/deaktivieren.
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Die mit B+ bezeichnete Spannung
der Fahrzeugbatterie ist an eine Klemme des Schalters CL angeschlossen,
der durch den Zündschlüssel des Fahrzeugs
gebildet wird. Die andere Klemme des Schalters CL ist an
eine Klemme einer Kontrolleuchte L sowie an verschiedene Schaltkreise CH des
Fahrzeugs angeschlossen, die dazu bestimmt sind, beim Schließen des
Zündschlüssels mit
Strom versorgt zu werden, wobei diese Schaltkreise als schlüsselbetätigte Verbraucher
bezeichnet werden. Die andere Klemme der Kontrolleuchte ist mit
dem positiven Eingang eines Vergleichers A1 sowie mit dem
Drain eines MOS-Leistungstransistors T1 verbunden, dessen
Source an die Masse angeschlossen ist.
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Der negative Eingang des Vergleichers A1 ist
an eine Bezugsspannung Vref angeschlossen, die beispielsweise 1
Volt beträgt.
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Der Ausgang des Vergleichers A1 ist über einen
Widerstand an das Gate von T1 angeschlossen.
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Ein anderer Ausgang DL des Vergleichers
ist dazu bestimmt, an die (nicht dargestellte) Reglerschaltung angeschlossen
zu werden, um diese wahlweise zu aktivieren/deaktivieren.
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Das Gate von T1 ist außerdem an
den Drain eines anderen MOS-Transistors T3 angeschlossen, dessen
Source mit der Masse verbunden ist und dessen Gate ein Anzeigesteuersignal SCS empfängt. Darüber hinaus
ist ein Widerstand R1 zwischen der Masse und dem Drain
von T1 geschaltet.
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Durch die Bezugsbuchstaben RF wird
ein Nebenschlußwiderstand
zwischen der Spannung B+ und der Klemme der Kontrolleuchte
L gegenüber dem
Zündschlüssel CL bezeichnet,
wobei ein derartiger Widerstand insbesondere unter dem Einfluß von leitenden
Ablagerungen auftreten kann, insbesondere von Salzbrücken die
entstehen, wenn das Fahrzeug der Einwirkung von Salznebeln ausgesetzt
ist.
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Wenn der Zündschlüssel CL geöffnet wird, legt
der Widerstand R1 den Drain von T1 an die Masse.
Diese Verbindung des Drains von T1 mit der Masse wird durch
die Kontrolleuchte L verstärkt, die mit den ebenfalls
an die Masse angeschlossenen Schaltkreisen CH in Reihe
geschaltet ist. Infolgedessen wird der Strom, der im Nebenschlußwiderstand RF fließen kann, über R1 sowie über L und
die Schaltkreise CH zur Masse abgezweigt. Die Wirkung von RF,
der den Drain von T1 auf ein positives Potential bringen
soll, wird neutralisiert, da RF mit der sehr niedrigen
Impedanz parallel geschaltet ist, die durch die mit den Schaltkreisen CH in
Reihe geschaltete Kontrolleuchte L gebildet wird.
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Unter diesen Bedingungen bleibt der
Regler, wenn der Fahrzeugmotor nicht läuft, im Ruhezustand. Seine
Erregerwicklung wird von keinem Strom durchflossen, und es kommt
nur ein minimaler Ruhestrom in einer Größenordnung von 1 mA zum Einsatz.
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Wenn der Zündschlüssel CL geschlossen wird,
erhöht
sich die Source-Drain-Spannung
von T1, so daß sie
größer als
die Spannung Vref wird, die, wie bereits erwähnt, in einer Größenordnung
von 1 Volt liegt.
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Im Falle eines Mono-Multifunktions-Reglers wird
das Überschreiten
dieses Werts von 1 Volt durch die Source-Drain-Spannung zur Erfassung
des Schließens
des Zündschlüssels in
an sich herkömmlicher
Weise über
die Kontrolleuchte L verwendet, und zwar auch dann, wenn
die besagte Kontrolleuchte L aufleuchtet. Zu weiteren Einzelheiten
bezüglich dieser
Erfassung des Schließens
des Zündschlüssels bei
einem derartigen Wechselstromgenerator kann auf die FR-A-2 674 063
auf den Namen der Anmelderin verwiesen werden.
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Wenn bei geschlossenem Zündschlüssel der Motor
läuft und
die Regelung des Wechselstromgenerators normal stattfindet, ermöglicht das
an das Gate von T3 angelegte Steuersignal SCS das
Sperren von T1. Die Erfassung des Schließens des
Zündschlüssels wird
dann bestätigt,
insoweit die Source-Drain-Spannung von T1 daraufhin deutlich
größer als
die Spannung Vref wird.
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In allen Fällen bewirkt jedoch eine Source-Drain-Spannung
an T1 größer oder
gleich der Spannung Vref einen Stromverbrauch durch den Regler.
Dabei gilt im einzelnen:
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- – Wenn
der Motor nicht läuft,
befindet sich der Regler im Vorerregungszustand, wobei im allgemeinen
ein Stromverbrauch in einer Größenordnung
von 100 mA stattfindet, was schließlich zur Folge hat, daß sich die Batterie
entlädt.
- – Wenn
der Motor läuft,
erfüllt
der Regler des Wechselstromgenerators seine normale Funktion zur
Regelung der Ladung der Batterie, wobei er den Erregerstrom dementsprechend
anpaßt.
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Es existiert jedoch, weiterhin unter
Bezugnahme auf 2 der
Zeichnungen, eine Variante der Schaltung zur Erfassung des Schließens des
Zündschlüssels von 1, bei der eine Diode D1 (oder auch
eine Leuchtdiode bzw. Elektrolumineszenzdiode) in der Durchlaßrichtung
zwischen der Kontrolleuchte L und dem Drain T1 geschaltet
ist. In diesem Fall sind die schlüsselbetätigten Verbraucher CH nicht
in der Lage, das Drainpotential von T1 wieder an die Masse
zu legen, wenn der Zündschlüssel CL geöffnet ist.
In diesem Fall kann nur der Widerstand R1 dieses Drainpotential
wieder auf null bringen.
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Es können dann zwei Hypothesen in
Betracht gezogen werden:
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- – Wenn
der Wert des Widerstands R1 hoch ausfällt (zum Beispiel in einer
Größenordnung
von 10 kΩ), dann
kann die Schaltung ein Schließen
des Zündschlüssels auch
dann anzeigen, wenn dieser geöffnet
ist. Denn das Drainpotential von T1 befindet sich auf einem
Zwischenpegel zwischen B+ und der Masse, was auf die durch R1 gebildete
Spannungsteilerbrücke
und den Nebenschlußwiderstand RF zurückzuführen ist.
Praktisch kann dies eintreten, wenn der Wert von RF kleiner
als 100 bis 200 kΩ ist.
In diesem Fall verläßt die Reglerschaltung
des Wechselstromgenerators den Ruhezustand, um zum Vorerregungszustand überzugehen,
wobei sich die Stromaufnahme von etwa 1 mA auf etwa 100 mA erhöht, so daß auch hier
wieder die Gefahr besteht, daß sich
die Batterie entlädt.
- – Wenn
hingegen der Wert von R1 niedrig bleibt (zum Beispiel in
einer Größenordnung
von 200 Ω),
dann wird das Drainpotential von T1 auf einem niedrigen Wert,
kleiner als Vref, gehalten, so daß die leitenden Ablagerungen,
die dem Widerstand RF zugrunde liegen, keine Auswirkungen haben:
Der Regler bleibt im Ruhezustand, und die Stromaufnahme ist vernachlässigbar.
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Ein derartiger Widerstand R1 mit
niedrigem Wert hat jedoch den Nachteil, daß er eine Verlustleistung von
etwa 1 Watt abgibt, wenn sich der Regler in Betrieb befindet (Zündschlüssel geschlossen,
Motor läuft,
Kontrolleuchte L aus). Dieser Wert fällt im Vergleich zu der normalerweise
von einem Regler abgegebenen Verlustleistung, die sich in einer
Größenordnung
von 3 Watt bewegt, beträchtlich
aus. Darüber hinaus
weist ein solcher Widerstand den Nachteil auf, daß er eine
große
Siliziumfläche
einnimmt, falls er in einer Festkörperschaltung oder einem monolithischen
Schaltkreis eingebaut wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.
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Dazu schlägt die vorliegende Erfindung
eine Schaltung zur Erfassung des Schließens eines Zündschlüssels vor,
die zum Einschalten einer Reglerschaltung zur Regelung der Ladung
einer Batterie durch einen Wechselstromgenerator bestimmt ist, wobei
diese Schaltung, zwischen der Batteriespannung und der Masse in
Reihe geschaltet, einen Zündschlüsselschalter,
eine Kontrolleuchte, eine Diode und einen gesteuerten Halbleiterschalter
umfaßt,
sowie ein Mittel, um die Spannung am gemeinsamen Anschluß zwischen
der Diode und dem Halbleiterschalter mit einem vorbestimmten niedrigen
Wert zu vergleichen, von dem ein Ausgang die Reglerschaltung steuert,
und ein Mittel, um das Öffnen
des besagten Schalters zu steuern, sobald die Regelung normal erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, daß sie
außerdem
eine Abzweigschaltung zur Abzweigung der Ströme umfaßt, die in einem Nebenschlußwiderstand fließen können, der
die Batteriespannung mit der oberen Klemme des gesteuerten Schalters
verbindet, die zwischen der besagten oberen Klemme und der Masse
geschaltet ist und ein Halbleitermittel umfaßt.
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Nach einigen bevorzugten, aber nicht
ausschließlichen
Aspekten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist folgendes vorgesehen:
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- – In
einer ersten Ausführungsart
umfaßt
das besagte Halbleitermittel einen ersten Transistor, und es ist
ein zweiter Transistor des gleichen Typs wie der erste Transistor
vorgesehen, wobei die beiden Transistoren als Stromspiegel geschaltet
sind, und es ist außerdem
eine Konstantstromquelle zwischen der Batteriespannung und dem zweiten
Transistor vorgesehen, wobei das Halbleitermittel der Abzweigschaltung
durch den ersten Transistor gebildet wird.
- – Der
zweite Transistor weist eine Übergangsfläche gleich
einem Bruchteil der Übergangsfläche des
ersten Transistors auf, so daß der
maximal abzweigbare Strom gleich einem Vielfachen des durch die
Konstantstromquelle erzeugten Stroms ist.
- – Am
Ausgang des Vergleichsmittels ist eine Diode vorgesehen, deren Aufgabe
darin besteht, jedes Fließen
eines von der Konstantstromquelle kommenden Stroms in Richtung des
besagten Vergleichsmittels zu verhindern.
- – In
einer zweiten Ausführungsart
umfaßt
die Abzweigschaltung entweder eine Reihenschaltung eines Transistors
und eines Widerstands, wobei diese Schaltung mit dem Halbleiterschalter
parallel geschaltet ist, oder einen Transistor, der mit dem Halbleiterschalter
parallel geschaltet ist, wobei der besagte Transistor im Durchlaßzustand
einen substantiellen Widerstand aufweist.
- – Ein
Steueranschluß des
Transistors der Abzweigschaltung erhält eine konstante Spannung.
- – Die
Schaltung umfaßt
einen anderen Transistor, der zwischen dem besagten Steueranschluß und der Masse
geschaltet ist und von dem ein Steueranschluß eine Spannung erhält, die
von der Klemmenspannung des besagten Halbleiterschalters abhängig ist.
Bei den Transistoren handelt es sich um MOS-Transistoren.
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Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile
der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung,
die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
angeführt
werden. Darin zeigen im einzelnen:
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1 eine
erste Schaltung zur Erfassung des Schließens des Zündschlüssels nach dem bisherigen Stand
der Technik;
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2 eine
zweite Schaltung zur Erfassung des Schließens des Zündschlüssels nach dem bisherigen Stand
der Technik;
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3 eine
Schaltung zur Erfassung des Schließens des Zündschlüssels nach einer ersten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Schaltung zur Erfassung des Schließens des Zündschlüssels nach einer zweiten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung und
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5 eine
Schaltung zur Erfassung des Schließens des Zündschlüssels nach einer dritten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung;
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Vorausschickend ist darauf hinzuweisen, daß in den
einzelnen Figuren identische oder ähnliche Elemente oder Teile
jeweils möglichst
durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
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Es wird nun auf 3 Bezug genommen, in der eine Schaltung
dargestellt ist, die mit der Schaltung von 2 nach dem bisherigen Stand der Technik
die folgenden Elemente gemeinsam hat: Zündschlüssel CL, Kontrolleuchte L,
Diode D1, MOS-Leistungstransistor T1,
Vergleichsschaltung A1, R2 und MOS-Steuertransistor T3.
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Die Schaltung von 3 unterscheidet sich von der Schaltung
von 2 hauptsächlich dadurch, daß der Widerstand R1 entfällt und
durch einen Stromspiegel ersetzt wird, der eine Konstantstromquelle S1,
die beispielsweise eine niedrigen Wert in einer Größenordnung
von 50 μA
festlegt, den Transistor T1 und einen MOS-Transistor T2 umfaßt. Die Stromquelle S1 ist
zwischen der Batteriespannung B+ und dem Drain von T2 geschaltet.
Die Source von T2 ist an die Masse angeschlossen, während sein Gate
einerseits mit seinem Drain und andererseits mit dem Gate von T1 verbunden
ist.
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Außerdem ist festzustellen, daß der Ausgang
von A1 mit dem Gate von T1 über den Widerstand R2 verbunden
ist, der mit einer in der Durchlaßrichtung von R2 zu T1 geschalteten
anderen Diode D1 in Reihe geschaltet ist.
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In diesem Zusammenhang ist darauf
hinzuweisen, daß die
große
Oberfläche
von T1 im Verhältnis
zu T2 das Abschalten größerer Leckströme an T1,
beispielsweise in einer Größenordnung
von 5 bis 10 mA, ausgehend von einer durch S1 festgelegten Dauerstromaufnahme
ermöglicht,
die äußerst niedrig ausfällt (im
vorliegenden Fall 50 μA).
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Alle angemessenen Leckströme, die
in dem beispielsweise aus einer Salzbrücke hervorgegangenen Nebenschlußwiderstand RF fließen können, werden
daher zur Masse durch T1 abgezweigt, der einen niedrigen
Drain-Source-Widerstand aufweist, so daß der Drain von T1 auf
einem Potential unter der Spannung Vref bleibt.
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Für T2 wird
beispielsweise ein Transistor gewählt, der eine 200 mal kleinere
Oberfläche
als T1 aufweist, was im Falle einer monolithischen Halbleiterschaltung
konkret keinerlei Problem mit sich bringt, da die genutzte Mehrfläche äußerst gering
ist. Der durch T1 abgegebene Höchststrom ist daher 200 mal
so groß wie
der durch S1 erzeugte Strom, das heißt 10 mA. Ein solcher Wert
ermöglicht
es praktisch, die durch alle leitenden Ablagerungen mit einem Widerstand
größer oder
gleich ungefähr
2000 Ω erzeugten
Leckströme
abzuzweigen.
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Wenn der Motor läuft, nachdem der Zündschlüssel CL geschlossen
und kein Fehler festgestellt wurde, dann wird T1 über T3 gesperrt,
der das Anzeigesteuersignal SCS erhält. In dieser Situation verbraucht
der durch T1 und T2 gebildete Stromspiegel keinen
Strom, wodurch eines der Probleme des bisherigen Stands der Technik
gelöst
wird.
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Die zwischen R3 und den
Gates von T2 und T2 vorgesehene Diode ermöglicht es,
zu verhindern, daß der
durch den Generator S1 erzeugte Strom über den Widerstand R2 zu A1 abgezweigt
wird.
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Dadurch ergibt sich eine Schaltung,
die es ermöglicht,
die Störeinflüsse der
beispielsweise durch Salzbrücken
erzeugten Nebenschlußwiderstände RF in überaus einfacher
und wirtschaftlicher Weise zu verhindern, ohne dadurch den Bauraumbedarf
zu vergrößern und
einen unerwünschten
Leistungsverlust zu verursachen.
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Es wird nun auf 4 Bezug genommen, in der eine Schaltung
nach einer zweiten Ausführungsart
der Erfindung dargestellt ist. Diese Schaltung unterscheidet sich
vom Stand der Technik, wie er in 2 definiert
ist, dadurch, daß der
Widerstand R1 durch einen MOS-Transistor T4 und durch einen
Widerstand R3 ersetzt wird. Im einzelnen ist der Drain von T4 mit
dem Drain von T1 verbunden, während R3 zwischen
der Source von T4 und der Masse geschaltet ist. Das Gate
von T4 erhält
eine Spannung von beispielsweise +5 Volt, damit es durchgeschaltet wird.
Dadurch wird jeder Leckstrom, der möglicherweise aufgrund eines
Nebenschlußwiderstands
RF entstehen könnte, über die
Schaltung T4, R3 zur Masse abgezweigt. Eine solche
Lösung
ist insofern vorteilhaft, als sie eine Stromaufnahme und einen Leistungsverlust
bewirkt, die deutlich niedriger ausfallen als die Stromaufnahme
und der Leistungsverlust des Widerstands R1 von 2. Es ist nämlich dargelegt
worden, daß ein
Widerstand R1 von 200 Ω einen
Leistungsverlust von 1 W bedingen kann (Zündschlüssel geschlossen, Motor läuft, Kontrolleuchte L aus).
Unter den gleichen Bedingungen bewirkt eine Schaltung R3, T4 mit
einer Stromaufnahme von 10 mA einen Leistungsverlust von nur 140
mW.
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5 zeigt
eine Ausführungsvariante
zu 4, die dazu bestimmt
ist, jede unerwünschte Stromaufnahme
bei T4, R3 zu verhindern, wenn der Zündschlüssel geschlossen
und die Kontrolleuchte L ausgeschaltet ist, während der
Motor läuft.
Denn in der Ausführung
von 4 verbraucht diese
Schaltung T4, R3 solange Strom wie T1 gesperrt
ist.
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Die Schaltung von 5 unterscheidet sich von der Schaltung
von 4 dadurch, daß die Spannung
von 5 Volt über
einen Widerstand R4 an das Gate von T4 angelegt
wird. Das Gate von T4 ist außerdem mit dem Drain eines
anderen MOS-Transistors T5 verbunden, dessen Source an
die Masse angeschlossen ist, während
sein Gate mit dem gemeinsamen Anschluß zwischen einer Zener-Diode
DZ und einem anderen Widerstand R5 verbunden ist. Der andere
Anschluß der
Diode DZ ist an die Masse angeschlossen, während der
andere Anschluß von R5 mit
den Drains von T1 und T4 verbunden ist.
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Im folgenden soll die Funktionsweise
der Schaltung von 5 beschrieben
werden:
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- – Zunächst hält der Vergleichen A1,
solange der Motor nicht läuft,
die Drainspannung von T1 auf einem Wert unter der Spannung
Vref von ungefähr
1 Volt. Dieser an das Gate von T5 angelegte Wert von 1
Volt reicht nicht aus, um das vorgenannte Gate durchzuschalten,
so daß T5 gesperrt
ist. In diesem Fall können T4 und R3 die
Leckströme
abzweigen, sobald der Zündschlüssel geöffnet wird,
wie dies bei 4 der Fall
ist.
- – Wenn
der Motor bei geschlossenem Zündschlüssel läuft, ist
die Kontrolleuchte L ausgeschaltet, und der Drain von T1 liegt
am Potential B+. In diesem Fall wird T5 durchgeschaltet,
wodurch das Gatepotential von T4 auf einen Wert gebracht
wird, der ausreichend niedrig ist, um letzteren zu sperren. Es liegt daher
keine Stromaufnahme bei T4 und R3 mehr vor (anstelle
von 10 mA im Fall von 4).
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Damit diese Schaltung wie beschrieben
arbeitet, muß natürlich die
Gate-Spannung, durch die T5 durchgeschaltet wird, größer als
Vref sein und beispielsweise 1,5 Volt betragen.
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Nach einer nicht veranschaulichten
Ausführungsvariante
kann in dem Fall, in dem der Drain-Source-Widerstand von T4 im
durchgeschalteten Zustand ausreichend hoch ausfällt (beispielsweise in einer
Größenordnung
von 50 Ω),
der Widerstand R3 entfallen.
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Die Schaltungsanordnungen der 4 und 5 ermöglichen
die Abzweigung von Leckströmen,
die beispielsweise 10 bis 20 mA erreichen.
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Die vorliegende Erfindung ist natürlich keineswegs
auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern
der Fachmann kann daran alle dem Erfindungsgedanken entsprechenden
Varianten und Änderungen
vornehmen.
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So ist vorstehend zwar eine Schaltung
beschrieben worden, bei der MOS-Transistoren zum Einsatz kommen;
es können
aber natürlich
auch anderen Transistoren-Typen, insbesondere bipolare Transistoren,
verwendet werden.