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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur
Steuerung eines Anlasserschalters für einen Kraftfahrzeuganlasser.
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Herkömmlicherweise wird die Stromversorgung eines
Kraftfahrzeuganlassers über einen durch eine Elektronik geregelten
spulengewickelten Leistungsschalter gesteuert.
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Ein derartiger Schalter hat die Aufgabe, einerseits ein lineares
Stellglied zu bilden, um ein Einspurritzel entlang einer Antriebswelle
von einer Ruheposition zu einer Einspurposition an einem unter einem
Schwungrad befindlichen Zahnkranz zu verstellen, und andererseits ein
Leistungsrelais zu bilden, dessen Kontakt die Stromversorgung des
Elektromotors des Anlassers ermöglicht, wobei der besagte Motor das
Einspurritzel drehend antreibt.
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Als Beispiel für den Aufbau eines Kraftfahrzeuganlassers kann
beispielsweise auf die US 5,345,901 verwiesen werden.
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Die Steuerelektronik umfasst in der Regel einen Schalter in der
Ausführung als Transistor, der den Durchfluss eines Stroms in der
Spule des Anlasserschalters steuert. Die Steuerung erfolgt mit zwei
Schaltstufen oder progressiv, wie dies in der Patentanmeldung FR 2
679 717 vorgeschlagen worden ist.
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Zunächst wird die Spule im Einzugszustand mit einer hohen
Stromstärke gespeist, um die erforderlichen mechanischen Kräfte für
den Antrieb des Einspurritzels im Anlasserzahnkranz des
Verbrennungsmotors zu entwickeln.
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Wenn der Anlasserschalter zwei Wicklungen umfasst, bei denen es
sich zum einen um eine Einzugswicklung und zum anderen um eine
Haltewicklung handelt, geht die Stromversorgung anschließend am
Ende der vorangehenden Phase zu einer geringeren Stromstärke über,
die ausreicht, um den Leistungsschalter geschlossen zu halten.
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Aufgrund der hohen Stromstärken treten im Einzugszustand an der
Spule des Leistungsschalters (gleichgültig ob er mit einer oder
mehreren Wicklungen ausgeführt ist) und am Steuertransistor
erhebliche Wärmeentwicklungen auf.
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Diese Funktionsweise fällt normalerweise sehr kurz, in einer
Größenordnung von einigen Zehntelsekunden, aus, wodurch eine
Beschädigung der vorgenannten Bauteile durch Wärmewirkung
verhindert wird.
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Im Falle einer Funktionsstörung des Leistungsschalters fällt jedoch die
Funktionsdauer im Einzugsmodus ebenso lang aus wie die Dauer des
Haltens des Zündschlüssels in der Anlassposition.
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Diese Dauer bleibt dem Ermessen des Fahrers des Fahrzeugs
überlassen. In der Praxis kann sie zuweilen mehrere Zehntelsekunden
erreichen, was durchaus genügt, um den Transistor oder die
Schalterwicklung zu beschädigen.
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Es kann zahlreiche Ursachen für das Nichtschließen des
Leistungsschalters geben: Abgesehen von mechanischen Ursachen,
können sie auch mit dem Vorhandensein eines nichtleitenden
Fremdkörpers auf der Oberfläche der Kontakte zusammenhängen:
Staub, Isolierpartikel, Vereisung, Oxidation usw.
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Deshalb besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein
Steuerungsverfahren und eine Steuerungsvorrichtung vorzuschlagen,
mit denen sich eine Beschädigung des Transistors oder der Wicklung
des Schalters vermeiden lassen, wenn aufgrund eines Ausfalls des
Schalters die Funktionsdauer im Einzugszustand zu lang ausfällt.
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Aus der US 4,345,554 ist bereits eine Steuerelektronik zur Steuerung
eines Anlassers bekannt, die dessen Stromversorgung abschaltet,
wenn der Motor nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit nicht gestartet
ist. Diese Steuerung ist jedoch nicht völlig zufriedenstellend. Sie kann
dazu führen, dass die Stromversorgung des Anlassers abgeschaltet
wird, während der Leistungskontakt effektiv geschlossen ist.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Steuerung eines
Anlasserschalters für einen Kraftfahrzeuganlasser vorgeschlagen,
wobei der besagte Schalter wenigstens eine Wicklung und einen
Leistungskontakt umfasst, dessen Schließen die Stromversorgung des
Anlassers ermöglicht, wobei die besagte Vorrichtung Mittel umfasst, um
ein Signal zu messen, dessen Veränderungen kennzeichnend für den
geöffneten oder geschlossenen Zustand des Leistungskontakts sind,
und um dieses Signal zu verarbeiten, um den geöffneten oder
geschlossenen Zustand des Leistungskontakts zu erfassen, sowie
Mittel, um die Einzugsstromversorgung der Wicklung bzw. der
Wicklungen abzuschalten oder zu verringern, wenn der
Leistungskontakt nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit bezogen auf
den Beginn der Einzugsstromversorgung noch immer geöffnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Signal die
Klemmenspannung des Anlassers oder die in diesem fließende
Stromstärke oder auch ein für die Drehzahl des Anlassers oder des
Verbrennungsmotors kennzeichnendes Signal ist und dass die Mittel
zur Erfassung des geöffneten oder geschlossenen Zustands des
Leistungskontakts Mittel zur Glättung dieses gemessenen Signals vor
seiner Verarbeitung zur Erfassung des geöffneten oder geschlossenen
Zustands des Leistungskontakts umfassen.
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Diese Vorrichtung wird vorteilhafterweise durch die verschiedenen
nachfolgenden Merkmale, für sich genommen oder nach allen ihren
technisch möglichen Kombinationen, ergänzt:
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- Mittel zur Erzeugung eines Steuersignals zum Steuern des
Anlassvorgangs, insbesondere beim Schließen des Zündschlüssels, ein
Element zur Regelung des Versorgungsstroms der Wicklung bzw. der
Wicklungen, Mittel zur Steuerung dieses Regelungselements, wobei
diese Mittel das Anlasssteuersignal empfangen, wobei die Mittel zum
Abschalten oder Verringern der Einzugsstromversorgung
Zeitschaltmittel umfassen, an die das Anlasssteuersignal übertragen
wird, sowie Entscheidungsmittel, die eingangsseitig die
ausgangsseitigen Signale der Zeitschaltmittel einerseits und der Mittel
zur Erfassung des geöffneten oder geschlossenen Zustands des
Leistungskontakts andererseits empfangen, wobei diese
Entscheidungsmittel ausgangsseitig ein Signal abgeben, das den
Mitteln zur Steuerung des Regelungselements anzeigt, dass der
Leistungskontakt nach Ablauf der Verzögerungszeit geöffnet ist.
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- Die Entscheidungsmittel umfassen ein Logikgatter, von dem ein
Eingang das ausgangsseitige Signal der Zeitschaltmittel und ein
anderer Eingang ein Signal entsprechend dem ausgangsseitigen Signal
der Mittel zur Erfassung des geöffneten oder geschlossenen Zustands
des Leistungskontakts empfängt, wobei der Ausgang des besagten
Logikgatters über eine Diode mit dem Ausgang der Mittel zur Steuerung
des Regelungselements verbunden ist.
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- Das Logikgatter ist ein NICHT UND-Glied.
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- Der zweite Eingang des Logikgatters ist über hauptsächlich ohmsche
Mittel mit einer Speiseklemme sowie mit einem Ende eines Schalters
verbunden, dessen anderes Ende an die Masse angeschlossen ist und
der durch das ausgangsseitige Signal der Mittel zur Erfassung des
geöffneten oder geschlossenen Zustands des Leistungskontakts
gesteuert wird.
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- Die Erfassungsmittel umfassen eine Zener-Diode, deren
Kathodenspannung das Signal ist, das den Schalter steuert, wobei die
Kathode der besagten Diode mit einem Punkt zwischen dem
Leistungskontakt und dem Anlasser verbunden ist, während ihre Anode
an die Masse angeschlossen ist.
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- Die Erfassungsmittel umfassen außerdem hauptsächlich ohmsche
Mittel zur Begrenzung des Stroms in der besagten Diode im Falle einer
Überspannung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung. Diese Beschreibung dient nur zu
Veranschaulichungszwecken und hat keinerlei einschränkende
Wirkung. Sie ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
zu lesen. Darin zeigen im einzelnen:
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- Fig. 1 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen
Ausführungsart für die erfindungsgemäße Vorrichtung;
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- die Fig. 2a bis 2e die Veranschaulichung einer möglichen
Steuersequenz für die Vorrichtung von Fig. 1;
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- Fig. 3 eine ähnliche schematische Darstellung wie Fig. 1 zur
Veranschaulichung einer anderen möglichen Ausführungsart für die
erfindungsgemäße Vorrichtung.
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In Fig. 1 ist ein Elektromotor D dargestellt, der den Anlasser des
Fahrzeugs bildet und dessen Stromversorgung durch einen
Leistungskontakt 1 gesteuert wird.
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Dieser Elektromotor D ist zwischen einer Klemme B&spplus; für den Anschluss
an die Speisespannung der Batterie und der Masse geschaltet.
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Der Leistungskontakt 1 ist zwischen der Speiseklemme B&spplus; und dem
Anlasser D eingefügt.
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Er wird durch eine Wicklung 2 gesteuert, die zwischen der
Speiseklemme B&spplus; und der Masse geschaltet ist. Die Stromversorgung
der Wicklung 2 wird ihrerseits durch einen zwischen der Wicklung 2
und der Masse eingefügten Schalter 3 gesteuert.
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In dem beschriebenen Beispiel handelt es sich bei dem Schalter 3 um
einen MOSFET-Transistor, dessen Drain mit der Wicklung 2 und
dessen Source mit der Masse verbunden ist.
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Die Gitterspannung dieses Transistors 3 wird durch eine Elektronik 4
gesteuert, die im folgenden beschrieben werden soll.
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Diese Elektronik 4 umfasst eine Regelungseinheit 5, die die
Gitterspannung des Transistors 3 regelt, um den
Stromversorgungsablauf der Wicklung 2 entsprechend den
verschiedenen Betriebsphasen des Anlassers zu regeln
(Einzugsstromversorgung, Geschlossenhalten des Kontakts,
automatische Abschaltung des Anlassers nach dem Anlassen des
Verbrennungsmotors usw.). Diese Regelungseinheit 5 erfüllt außerdem
unterschiedliche Funktionen, wie etwa Wärmeschutz des Anlassers,
Wiederanlassschutz, wenn der Verbrennungsmotor läuft, usw.
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Diese Regelungseinheit 5 empfängt verschiedene Informationen über
die Funktionsweise des Anlassers D. Außerdem ist sie mit einer
Stromversorgungsleitung L zum Anschluss an die Spannung der
Fahrzeugbatterie verbunden, die durch den Zündschlüssel 6 gesteuert
wird.
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Das Signal "a" am Ausgang dieser Regelungseinheit 5 wird an Mittel 7
zur Steuerung der Sperrung des Transistors 3 übertragen, die die am
Gate des Transistors 3 eingespeiste Spannung erzeugen. Diese Mittel
7 steuern beispielsweise den Transistor 3 so, daß er als Schalter oder
auch mit sequenzierter oder progressiver Stromversorgung funktioniert.
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Bei diesem Signal "a" handelt es sich beispielsweise um die Art des in
Fig. 2a veranschaulichten Binärsignals, dessen Pegel 0 seine Öffnung
steuert. Das Signal "a" geht beim Schließen des Zündschlüssels zu
seinem Pegel 1 über.
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Dieses Signal "a" wird außerdem an eine Zeitschalteinheit 8
übertragen.
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Das Signal "e" am Ausgang dieser Zeitschalteinheit 8 wird um eine
Dauer Tc bezogen auf das Signal "a" verzögert (Fig. 2b).
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Es wird an eine Entscheidungseinheit 9 zugleich mit einem Signal "f"
übertragen (Fig. 2c), bei dem es sich um ein für den geschlossenen
oder geöffneten Zustand des Kontakts 1 repräsentatives Binärsignal
handelt.
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Dieses Signal "f" wird durch eine Einheit 10 erzeugt, die den geöffneten
oder geschlossenen Zustand des Leistungskontakts beispielsweise in
Abhängigkeit von der Messung der Klemmenspannung des Anlassers
D oder von der Messung der in diesem fließenden Stromstärke erfasst.
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Als Variante kann das Signal "f" in Abhängigkeit von einer Messung der
Drehzahl entweder des Elektromotors, der den Anlasser bildet, oder
des Verbrennungsmotors erzeugt werden.
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Bei dem in den Figuren veranschaulichten Beispiel ist in Fig. 2c mit
durchgezogenen Linien ein Binärsignal dargestellt worden, das dem
Signal "f" entspricht, wenn sich der Leistungskontakt 1 unmittelbar nach
der Ansteuerung des Anlassens durch das Signal "a" schließt, während
mit durchgezogenen Linien das Signal "f" dargestellt worden ist, wenn
sich der Leistungskontakt während der Dauer der Verzögerungszeit
nicht schließt.
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Die Einheit 10 umfasst vorzugsweise eine Schaltung zur Glättung des
Eingangssignals, um den elektronischen Schutz nicht
unbeabsichtigterweise unter der Einwirkung einer Mikrounterbrechung
des Leistungskontakts auszulösen, der beispielsweise im Anschluss an
Prellungen des Kontakts oder an Schaltstörungen am Elektromotor
auftreten könnte.
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Bei dem Signal "g" am Ausgang der Einheit 9 handelt es sich um ein
Signal der in Fig. 2d veranschaulichten Art, das den Wert 1 hat, wenn
der Leistungskontakt 1 nach Ablauf der Verzögerung durch die Einheit
8 nicht geschlossen ist, das heißt, wenn das Signal "f" den Wert 0 hat,
wenn das Signal "e" zu seinem Pegel 1 übergeht.
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Dieses Signal "g" wird zusammen mit dem Signal "a" an die Mittel 7 zur
Steuerung der Sperrung des Transistors 3 übertragen.
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Das durch diese Mittel 7 erzeugte Signal "b" (Fig. 2e) steuert die
Sperrung des Transistors 3, wenn sich das Signal "a" auf seinem Pegel
1 und das Signal "g" auf seinem Pegel 0 befindet.
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Sobald hingegen das Signal "g" zu seinem Pegel 1 übergeht, das heißt,
wenn das Öffnen des Kontakts 1 nach Ablauf der Verzögerungszeit
erfasst wird, geht das Signal "b" zum Pegel 0 über, und der Transistor 3
wird geöffnet.
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Die Verzögerungsdauer Tc wird ausreichend kurz gewählt, damit es zu
keiner irreversiblen Beschädigung des Transistors 3 oder der Wicklung
2 kommen kann, wenn sich der Leistungskontakt 1 nicht schließt, aber
trotzdem ausreichend lang, um den Antrieb des Einspurritzels in der
Arbeitsposition sicherzustellen.
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In der Praxis sind Werte zwischen 0,5 und 10 Sekunden geeignet.
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Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen.
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Darin sind die verschiedenen Mittel der Vorrichtung von Fig. 1 im
einzelnen dargestellt worden.
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Die Einheit 8 besteht aus einer Standardzeitschaltung, die nach einer
gegebenen Verzögerungsdauer Tc zum Pegel 1 übergeht, wenn sie ein
Signal mit dem Pegel 1 empfängt.
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Die Entscheidungseinheit 9 umfasst ein "NICHT UND"-Glied 11, von
dem ein erster Eingang e&sub1; mit dem Ausgang der Zeitschalteinheit 8
verbunden ist und von der ein zweiter Eingang e&sub2; mit dem Kollektor
eines bipolaren Schalttransistors T verbunden ist. Dieser Kollektor wird
durch einen Widerstand R2 geladen, der mit einer Speiseklemme für
den Anschluss an die Batteriespannung verbunden ist.
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Der Emitter dieses Transistors T ist an die Masse angeschlossen.
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Der Ausgang s dieses Gatters 11 ist mit dem Gate des Transistors 3
über eine Diode 12 verbunden, die von dem besagten Ausgang s zum
Gate sperrend ist.
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Bei Nichtvorliegen eines positiven Signals an seiner Basis (Signal "f"
auf Pegel 0) ist der Transistor T nicht durchgeschaltet, und der zweite
Eingang des NICHT UND-Gatters befindet sich auf dem Pegel 1.
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Der Ausgang des Logikgatters 11 befindet sich dann auf dem Pegel 0,
während das Signal "e" nach Ablauf der Verzögerungszeit zum Pegel 1
übergeht. Das Gate des Transistors 3 weist dann eine Spannung nahe
0 auf. Der Einzugsstrom in dem besagten Transistor und in der
Wicklung 2 wird auf einen vernachlässigbaren Wert verringert, wodurch
sich die Situation unter dem Wärmeaspekt risikofrei gestaltet.
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Bei allen anderen Zuständen der Signale "e" und "f" am Eingang des
Logikgatters 11 befindet sich das Signal "g" am Ausgang des besagten
Logikgatters 11 auf dem Pegel 1.
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Die Diode 12 ermöglicht es, in diesen Fällen jeden Einfluss auf die
durch die Einheit 5 erzeugte Steuerung zu verhindern. Die
Gitterspannung des Transistors 3 wird dabei direkt durch den Pegel
des Signals "a" am Ausgang der Regelungseinheit 5 gesteuert.
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Die in Fig. 3 veranschaulichte Einheit 10 ermöglicht sowohl die
Kalibrierung als auch die Glättung der Spannung an der Plusklemme
des Elektromotors.
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Sie umfasst eine Zener-Diode 13, deren Anode an die Masse
angeschlossen ist und deren Kathode über einen Widerstand R3 mit
der Basis des Transistors T verbunden ist.
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Die Kathode dieser Diode 13 ist außerdem über einen Widerstand R4
mit einem Ende eines Kondensators 14 verbunden, dessen anderes
Ende an die Masse angeschlossen ist. An ihrem gemeinsame Ende
sind der Kondensator 14 und der Widerstand R4 über eine Diode 15
mit einem Punkt zwischen dem Kontakt 1 und dem Anlasser D
verbunden.
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Wenn der Kontakt 1 geschlossen ist, befindet sich das Signal "f" am
Ausgang der Einheit 10 auf der Zener-Spannung der Diode 13, wobei
die Klemmenspannung des Anlassers D, an der
Seibstinduktionseffekte auftreten können, durch die besagte Zener-
Diode 13 begrenzt wird.
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Der Widerstand R4 begrenzt den Strom in dieser Diode 13 im Falle
einer Überspannung.
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Der Kondensator 14 beseitigt die unerwünschten Wirkungen der
Mikrounterbrechungen und Störungen. Die Diode 15 verhindert ein
schnelles Entladen des Kondensators 14 im Anlasser D während der
Mikrounterbrechungen.
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Wenn der Kontakt 1 geöffnet ist, befindet sich das Signal "f" am
Ausgang dieser Einheit 10 auf seinem Pegel 0, da die
Eingangsspannung gleich null ist.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung weist zahlreiche Vorteile auf.
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So ermöglicht sie eine Senkung der Kosten der Steuerungselektronik
des Anlassers, da die Wärmebeanspruchungen am Transistor 3 und an
der Wicklung 2 verringert werden.
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Daraus ergibt sich ferner eine leichtere Einbaubarkeit der
Steuerungselektronik des Anlassers.
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Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit der Steuerung verbessert.