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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Pulsbreiten-Modulationsschaltung und spezieller auf
eine Pulsbreiten-Modulationsschaltung mit Überstromschutz.
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Pulsbreiten-Modulatoren werden dazu
genutzt, eine variable mittlere Leistung an resistive und kapazitive
Lasten zu liefern. Pulsbreiten-Modulatoren werden häufig in
Dimmerschaltungen für
Lampen in Autos, wie etwa bei der Amaturentafelbeleuchtung, benutzt.
Die Pulsbreiten-Modulationsschaltung enthält im allgemeinen ein zwischen
die Stromversorgung und die Last geschaltetes Transistor-Durchgangselement.
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Das Transistor-Durchgangselement
wird mit konstanter Frequenz, aber variablem Tastverhältnis ein-
und ausgeschaltet, um eine variable mittlere Leistung an die Last
zu liefern. Die an die Last gelieferte mittlere Leistung ist proportional
zum Tastverhältnis.
Die variable mittlere Leistung „dimmt" oder hellt die Lampe in der Amaturentafel-Anwendung
auf.
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Viele resistive Lasten, insbesondere
Lampen, haben einen positiven Temperaturkoeffizienten, d. h. der
Widerstand steigt an, wenn die Temperatur der Last sich erhöht. Weiterhin
erzeugt die Last Wärme,
die proportional zum hindurchfließenden Strom ist. Eine Last
mit positivem Temperaturkoeffizienten hat einen niedrigen Anfangswiderstand
und leitet daher zu Beginn mehr Strom. Dieser große Strom
verursacht eine Erwärmung
der Last. Wenn die Last sich erwärmt,
erhöht
sich ihr Widerstand, so daß sich
der Stromfluss verringert, bis ein statischer Zustand erreicht ist.
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Bei einer Pulsbreiten-Modulationsschaltung bewirkt
der anfänglich
niedrige Widerstand der kalten Last einen großen Stromdurchgang durch das
Transistor-Durchgangselement, bevor die Last ihren Widerstand erhöht und einen
statischen Zustand erreicht. Dieser große Anfangsstrom kann das Transistor-Durchgangselement über hitzen.
Dies ist unerwünscht.
In der Vergangenheit wurden die Transistoren so gestaltet, daß sie dem
Anfangsstrom widerstehen konnten.
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Jedoch gewährleisten die Design-Prämissen,
die zur Erreichung einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber dem
Anfangsstrom zu wählen sind,
nicht den bestmöglichen
Betrieb im eingefahrenen Zustand. Dies ist insbesondere ein Problem
in Fahrzeugen, in denen kalte Lampen während der Startphase hohe Ströme ziehen.
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Eine Pulsbreiten-Modulationsschaltung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist in der EP-A-0068405 beschrieben.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird
eine Pulsbreiten-Modulationsschaltung gemäß den anhängenden Ansprüchen bereitgestellt.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschreibt eine Pulsbreiten-Moduiationsschaltung zur Verwendung
als Dimmerschalter, insbesondere in einer Fahrzeug-Amaturentafel.
Die Schaltung ist vor hohen Strömen
während
der Startphase geschützt
und liefert Strom an eine kalte Last, der diese langsam in einen
stabilen Betriebszustand erwärmt.
Die Schaltung wird durch Abkürzung
des Taktzyklus geschützt,
in dem ein Überstromzustand oder
Fehler auftritt.
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Die Tastzyklen werden abgekürzt, um
die Schaltung zu schützen,
bis der Widerstand der Last sich auf ein sicheres Niveau erhöht hat.
Des weiteren wird die Schaltung gegenüber wiederholt auftretenden
Fehlern durch Ausschalten der Schaltung für eine Mehrzahl von Zyklen
geschützt,
nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Fehlern erfaßt wurde.
Jedoch wird die Last mit ausreichend Strom versorgt, um sich kontinuierlich
zu einem stabilen Betriebszustand hin zu bewegen.
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Die Pulsbreiten-Modulationsschaltung
enthält
im allgemeinen einen Oszillator, der alternierend ein Transistor-Durchgangselement
schaltet, weiches eine Stromversorgung mit einer Last verbindet.
Eine Nebenschlußwiderstand
(Shunt) fühlt
den durch das Transistor-Durchgangselement während eines Zyklus hindurchgehenden
Strom ab. Ein Komparator vergleicht den Strom mit einem Differenzsignal
und sendet ein Fehlersignal zu einer Halteschaltung und einem Fehlerzähler, wenn
der Strom das Differenzsignal übersteigt.
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Um das Transistor-Durchgangselement
während
des Tastzyklus zu schützen,
schaltet ein zyklischer Abschalter das Transistor-Durchgangselement so
lange ab, wie die Halteschaltung das Fehlersignal hält. Die
Halteschaltung wird im nächsten
Zyklus des Oszillators zurückgesetzt,
um es zu ermöglichen, daß das Transistor-Durchgangselement
eingeschaltet wird.
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Um einen Schutz gegen Mehrfach-Fehler
zu bieten, wird der Fehlerzähler
durch jedes Fehlersignal inkrementiert. Wenn der Fehlerzähler einen
gewählten
Wert anzeigt, schaltet der Zählwertüberschreitungs-Abschalter
das Transistor-Durchgangselement für eine vorgewählte Anzahl
von Zyklen aus, so daß eine Überhitzung
des Transistor-Durchgangselementes verhindert wird. Dies wird durch
Aufrechterhaltung einer konstanten Pulsbreiten-Modulationsfrequenz
und Begrenzung des Tastzyklus bewerkstelligt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die obigen Erläuterungen sowie die übrigen Vorteile
der Erfindung werden für
den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
im Lichte der begleitenden Zeichnungen deutlicher. Es zeigen
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1 eine
Pulsbreiten-Modulationsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
und
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2 ein
detailliertes Schaltbild einer Schaltung zur Ausführung der
Pulsbreiten-Modulationsschaltung
nach 1.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Gemäß 1 ist eine Pulsbreiten-Modulationsschaltung 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Bereitstellung einer variablen mittleren Leistung an
einer Last besonders nützlich
zum Dimmen von Amaturentafelleuchten in einem Fahrzeug. Ein Über stromschutz
tastet während
eines Zyklus einen Überstromzustand
ab und schaltet ein Transistor-Durchgangselement 22 für den Rest
des Zyklus ab.
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Wenn die Anzahl von erfaßten Überstromzuständen einen
vorbestimmten Wert überschreitet, wird
das Transistor-Durchgangselement 22 für eine vorbestimmte Anzahl
von Zyklen ausgeschaltet. Durch diese Steuerungen wird das Transistor-Durchgangselement 22 während einer
Startphase gegen Überstromzustände geschützt, während zugleich
ein hinreichender Strom zur Erwärmung
der Last 23 zur Erreichung eines stabilen Betriebszustandes
geliefert wird.
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Die Pulsbreiten-Modulationsschaltung 20 enthält im allgemeinen
ein Durchgangselement 22, welches die Stromquelle 24 mit
der Last 23 verbindet. Das Durchgangselement 22 wird
durch einen Komparator 25 mit konstanter Frequenz ein-
und ausgeschaltet, so daß ein
gepulster Ausgang an die Last 23 geliefert wird. Ein Rechtecktwellenoszillator 26 ist über einen
Integrator 27 mit einem Ausgang des Komparators 25 verbunden,
und eine variable Referenzspannung 28 liegt am anderen
Eingang des Komparators 25 an.
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Der Integrator 27 wandelt
das Rechteckwellensignal vom Oszillator 26 in ein Dreieckwellensignal
um. Der Komparator 25, mit einer oszillierenden Dreieckwelle
als ein Eingang, schaltet alternierend das Durchgangselement 22 ein
und aus, so daß ein gepulstes
Ausgangssignal an die Last 23 angelegt wird. Der Tastzyklus
des gepulsten Ausgangs wird durch Erhöhen oder Verringern der variablen
Referenzspannung 28 am Komparator 25 erhöht oder
verringert. Eine Pegelschieberschaltung 29 ist parallel zum
Integrator 27 und Komparator 25 geschaltet.
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Ein Shunt 32 zwischen dem
Durchgangselement 22 und der Last 23 führt den
Strom durch das Durchgangselement 22 ab und sendet ein
Spannungssignal an einen Integrator 34. Der Integrator 34 befreit
das Signal vom Rauschen und sendet ein Signal zu einem Komparator 36,
welches proportional zum Strom ist. Der Komparator 36 vergleicht
dieses Signal mit einem durch eine Überstromreferenz 38 erzeugten
Referenzsignal.
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Wenn das integrierte Stromsignal
die Überstrom-referenz 38 übersteigt,
sendet der Komparator 36 ein Fehlersignal an eine Halteschaltung 40 und
einen Fehlerzähler 42.
Die Halteschaltung 40 empfängt das Fehlersignal vom Komparator 36 und
hält es
bis zum Ende des Zyklus.
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Ein zyklischer Abschalter 44 schaltet
das Durchgangselement 22 so lange ab, wie die Halteschaltung 42 das
Fehlersignal hält.
Folglich schädigt der
hohe Strom nicht das Durchgangselement 22. Eine zyklische
Rücksetzschaltung 46 setzt
die Halteschaltung im nächsten
Zyklus des Oszillators 26 zurück.
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Das Tansistor-Durchgangselement 22 gibt Wärme für den Rest
des Zyklus ab, so daß Beschädigungen
verhindert werden. Jedoch werden Temperatur und Widerstand der Last 23 durch
den Strom erhöht,
der während
des abgekürzten
Tastzyklus hindurchging. Der Strom des Durchgangselements 22 und
den Shunt 32 verringert sich in jedem nachfolgenden Zyklus,
bis ein sicherer, stabiler Strom erreicht ist, der unterhalb des
Referenzstromes liegt.
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Der Fehlerzähler 42 wird bei jedem
durch den Komparator 36 signalisierten Fehler inkrementiert.
Nach einer vorbestimmten Anzahl von Fehlern signalisiert der Fehlerzähler 42 dem
Zählwertüberschreitungs-Abschalter 50,
daß das
Durchgangselement 22 für
eine vorbestimmte Mehrzahl von Zyklen abzuschalten ist, die ausreicht,
um eine Ableitung der Wärme
vom Transistor-Durchgangselement 22 zu ermöglichen.
Es kann bei einigen Anwendungen möglich sein, eine hinreichende
Anzahl von Zyklen auszuwählen,
die das Transistor-Durchgangselement 22 schützt, ohne
daß die
Last 23 sich abkühlen
und ihren Widerstand verringern kann.
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2 ist
ein mögliches
Schaltbild zur Implementierung der Pulsbreiten-Modulationsschaltung 20 nach 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Rechteckwellenoszillator 26 umfaßt allgemein eine Operationsverstärkerschaltung.
Der Rechteckwellen-Ausgang des Oszillators 26 wird durch
einen Widerstand 54 und einen Kondensator 26 allgemein
in einen Dreieckwellen-Ausgang integriert, welcher an die invertierenden
Eingänge
eines Operationsverstärkers 58 im
Komparator 25 angelegt wird.
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Der Bediener stellt den Tastzyklus
der Pulsbreiten-Modulationsschaltung 20 durch Einstellung der
variablen Referenzspannung 28 ein, welche bevorzugt durch
ein Potentiometer 28 gebildet ist, das mit dem nicht-invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 58 verbunden
ist. Bei einer Amaturentafelbeleuchtung ist das Potentionmeter 28 der Dimmerschalter.
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Der Ausgang des Komparators 25 ist
mit dem Gate des Durchgangselementes 22 verbunden. Das
Durchgangselement 22 ist bevorzugt ein Transistor, etwa
ein BJT oder ein FET, und ist als n-Kanal-MOSFET dargestellt. Der
Rechteckwellen-Ausgang des Oszillators 26 ist auch mit
dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 22 im Pegelschieber 29 verbunden.
Eine Referenzspannung wird am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 62 erzeugt.
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Der Operationsverstärker 62 ist
mit dem Gate des Durchgangselementes 22 durch eine Ladungspumpe 64 verbunden.
Eine Bootstrap-Schaltung 66, die eine Diode und einen Kondensator
enthält,
ist bevorzugt parallel zum Durchführungselement 22 geschaltet.
Der Pegelschieber 29 wirkt als Spannungsverdoppler, der
zur Ansteuerung des n-Kanal-MOSFET in der Hoch-Konfiguration benötigt wird.
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Der zwischen das Durchgangselement 22 und
die Last 23 geschaltete Shunt 32 kann ein kleiner Widerstand 32 sein,
obgleich auch komplexere stromanzeigende Einrichtungen, wie etwa
Stromabführungs-FETs
oder Stromspiegelschaltungen, eingesetzt werden können.
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Bei der dargestellten Ausführungsform
erzeugt ein Strom durch das Durchgangselement 22 einen
leichten Spannungsabfall über
den Shunt 32, der an einen Operationsverstärker 28 in
der Integratorkonfiguration 34 weitergegeben wird. Der
Integrator 34 befreit das Stromsignal von Rauschen oder
Spitzen und erzeugt ein Signal, welches proportional zu dem durch
das Durchgangselement 22 hindurchgehenden Strom ist.
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Das integrierte Stromsignal wird
an den nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 70 im
Komparator 36 angelegt. Eine Referenzspannung wird am invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 70 durch
einen Widerstand 72 und eine Zenerdiode 74 aufgebaut.
Der Ausgang des Komparators 36 wird durch die Halteschaltung 40 gehalten,
welche bevorzugt ein Kondensator 40 ist. Die zyklische
Rücksetzschaltung 46 umfaßt bevorzugt
einen pnp-Transistor 76, der parallel zum Kondensator 40 geschaltet
ist, wobei die Basis des pnp-Transistors 76 mit dem Oszillator 26 verbunden
ist.
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Der pnp-Transistor 76 entlädt den Kondensator 40 nach
dem nachfolgenden negativen Signal vom Oszillator 26, welches
in etwa mit der Vorderkante des nächsten Tastzyklus des Transistor-Durchgangselementes 22 korrespondiert.
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Eine Referenzspannung wird am nicht-invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 78 mit einem
Spannungsteiler aufgebaut, der ein Paar von Widerständen 80 aufweist.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 78 des
zyklischen Abschalters 74 steuert das Gate des Transistors-Durchgangselementes 22 an.
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Der Kondensator 40 der Halteschaltung
hält den
Ausgang(-swert) vom Komparator 36 am invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 78 im zyklischen
Abschalter 44, so daß bewirkt
wird, daß der
Operationsverstärker 78 das
Transistor-Durchgangselement 22 ausschaltet.
Dies verhindert eine Beschädigung
des Transistor-Durchgangselementes 22.
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Die Halteschaltung 40 hält den Ausgangswert
vom Komparator 36 am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 78 im
zyklischen Abschalter 44, auch nachdem das Transistor-Durchführungselement 22 ausgeschaltet
worden ist und der Komparator 36 das Fehlersignal unterbricht.
Das nächste
negative Signal vom Oszillator 26 schaltet den Transistor 76 der
zyklischen Rücksetzschaltung 46 ein,
so daß der
Kondensator 40 der Halteschaltung entladen und der zyklische
Abschalter 44 ausgeschaltet wird.
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Der Ausgang des Komparators 36 wird
auch an den Takteingang 84 eines Fehlerzählers 42 mit
einer Rücksatzschaltung 86 angelegt.
Der Fehlerzähler 42 wird
durch das negative Signal nach jedem Fehlersignal inkrementiert,
welches durch den Komparator 36 an die Taktschaltung 84 gesendet
wird. Es versteht sich, daß auch
ein Zähler
eingesetzt werden könnte,
der bei einem positiven Takteingang inkrementiert wird, und daß dies nur
geringfügig
das Timing der Abschaltung des Transistor-Durchgangselementes 22 ändern würde.
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In Abhängigkeit von der speziellen
Anwendung wird eines der Ausgangsbits des Zählers 42 an den zyklischen
Abschalter 44 angelegt. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel wird der Q6-Ausgang 87 durch
eine Diode 88 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 90 in
der zyklischen Rücksetzschaltung 44 verbunden.
Eine Referenzspannung wird am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 90 aufgebaut.
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Ein Widerstand 92 und ein
Kondensator 94, die parallel zueinander zwischen den invertierenden Eingang
eines Operationsverstärkers 90 und
Masse geschaltet sind, halten den Ausgang des Fehlerzählers 42 für eine vorbestimmte
Zeitspanne, die durch die Werte des Widerstandes 42 und
des Kondensators 44 bestimmt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 90 ist
mit dem Gate des Transistor-Durchgangselementes 22 verbunden
und zum Rücksetzeingang 86 des
Fehlerzählers 42 rückgekoppelt.
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Jedes Fehlersignal vom Komparator 36 inkrementiert
den Fehlerzähler 42,
bis das ausgewählte
Ausgangs-bit 87, in diesem Beispiel Q6, den Wert 1 hat.
Das gewählte
Ausgangsbit 87 lädt
den Kondensator 84 und bewirkt, daß der Operationsverstärker 90 das
Transistor-Durchgangselement 22 für eine vorbestimmte Zeitspanne
ausschaltet, bevorzugt für eine
Anzahl von Zyklen. Der Operationsverstärker 90 setzt den
Fehlerzähler 42 zurück, so daß auch Q6 87 zurückgesetzt
wird, aber der Kondensator 94 hält das Signal vom ausgewählten Ausgangsbit 87,
bis er über
den Widerstand 92 entladen.
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Der Widerstand 92 und der
Kondensator 94 werden so gewählt, daß das Transistor-Durchgangselement 22 für eine Zeitspanne
ausgeschaltet wird, die hinreichend ist, um eine Beschädigung des
Transistor-Durchgangselementes 22 zu vermeiden. Diese kann
in einigen Anwendungen kurz genug sein, daß die Last 23 sich
weiter erwärmt
und sich zu einem statischen Zustand bewegt. Beispielsweise kann eine
bei 100 Hz arbeitende Pulsbreiten-Modulationsschaltung 20 etwa
30 Sekunden ausgeschaltet werden, bevor ein neuer Versuch zum Starten
der Last unternommen wird.
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Die Pulsbreiten-Modulationsschaltung
der vorliegenden Erfindung kann an einen Bordcomputer 96 des
Fahrzeugs angeschlossen sein, um eine Überstromzustände betreffende
Reaktion zu liefern. Beispielsweise kann der Ausgang des Komparators 36 mit
dem Computer 96 verbunden sein, um zu signalisieren, wann
der Kurzschlußschutz
eingreift. Weiter können
die Ausgänge
des Fehlerzähler 42 mit dem
Computer 96 verbunden sein, um die Anzahl aufgetretener
Fehler anzuzeigen.
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Die Pulsbreiten-Modulationsschaltung 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung schützt
das Transistor-Durchgangselement 22 vor Überstrom-Situationen,
die durch eine kalte Last 23 mit positivem Temperaturkoeffizienten
oder einen Kurzschluß mit
beliebiger Ursache bewirkt werden, und erlaubt eine Auswahl des
Transistor-Durchgangselementes 22 für optimalen
Betrieb im eingefahrenen Zustand. Der Schutz der Pulsbreiten-Modulationsschaltung 20 greift
automatisch und startet ohne Eingriff des Nutzers von neuem.
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Obgleich die vorliegende Erfindung
im Hinblick auf das Transistor-Durchgangselement 22 für eine Last 23 mit
positivem Temperaturkoeffizienten beschrieben wurde, versteht es
sich, daß der
Schaltungs-Schutz auch verfügbar
ist, nachdem die Last ihren eingefahrenen Zustand erreicht hat.
Es sollte beachtet werden, daß die
Pulsbreiten-Modulationsschaltung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung
die Betriebsfrequenz des gepulsten Ausgangs der Last 23 nicht ändert und
daher keine Probleme in Bezug auf Störungen durch elektrisches Rauschen
aufwirft.
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Gemäß den Vorschriften des Patentrechts wurde
die vorliegende Erfindung im Hinblick darauf beschrieben, was als
ihre bevorzugte Ausführungsform
angesehen wird. Es sollte jedoch beachtet werden, daß die Erfindung
auch auf andere Weise als gemäß den speziellen
Darstellungen und Beschreibungen ausgeführt werden kann, ohne daß ihr durch die
Ansprüche
definierter Schutzbereich verlassen wird.